Тема. Основы теории и практики метода зондирования становлением поля (зс)

Метод зондирования становлением поля является разновидностью зондирований на пере­менном токе, которые согласно общей теории электромагнитного поля базируются на яв­лении скин-эффекта. Различные модификации ЗС основаны на изучении неустановивших­ся процессов поля, возникающих в проводящем полупространстве и наблюдаемых чаще всего на дневной поверхности при ступенчатом изменении тока в источнике поля. Моди­фикации ЗС различаются типом установок. Среди источников первичного поля наиболь­шее практическое применение получили заземленный электрический диполь, незаземленный контур и заземленная длинная линия. Электрический диполь наиболее часто исполь­зуется при выполнении зондирования становлением в дальней зоне источника (ЗСД). Эта модификация, получившая наибольшее распространение на ранних стадиях развития ЗС (60-е - начало 70-х годов двадцатого столетия), применялась главным образом при реког­носцировочных исследованиях строения осадочного чехла в связи с поисками нефтегазо­носных структур. При этом считалось, что вблизи источника поле неинформативно в отно­шении электрических свойств исследуемого разреза из-за высокого уровня первичного поля. В конце 60-х годов работами В.А.Сидорова, В.В.Тикшаева и других исследователей доказана практическая целесообразность регистрации компонент переходного процесса и на небольших расстояниях от источника поля, что позволило внедрить в практику зонди­рование становлением в ближней зоне (ЗСБЗ или ЗСТ). Наиболее часто в этой модифика­ции зондирования в качестве первичного источника используется многовитковый незаземленный контур (круглая, квадратная или прямоугольная рамки). В тех случаях, когда для подавления различного рода помех оказывается целесообразным применение про­странственного накопления сигнала, наряду с незаземленными контурами в ЗСТ получила применение установка в виде длинной заземленной линии. Зондирование становлением в ближней зоне оказалось эффективным методом при прямых поисках нефтегазоносных структур (в комплексе с сейсморазведкой и гравиметрией), поисках термальных вод, хо­рошо проводящих руд, изучении геологической структуры рудных полей. Глубинность исследований методом ЗС колеблется в широких пределах (1 - 5 км) при суммарной про­дольной проводимости отложений от сотен до нескольких тысяч Сименс и ограничивает­ся, прежде всего, возможностями технических средств.

1. Спектральный метод решения прямой задачи зс

Согласно общей теории электромагнитного поля переходные процессы, возникающие в проводящем полупространстве Земли при ступенчатом изменении тока в источнике, удов­летворяют квазистационарному приближению, т.е. решение прямой задачи ЗС может быть выполнено путем интегрирования уравнений теплопроводности. Для напряженностей электрического и магнитного полей эти уравнения записываются в виде:

;

Основной характеристикой источника в ЗС является его момент I: произведение силы тока J на длину заземленной линии АВ, т.е. I = J·AB, или эффективную площадь незаземленного контура Q - произведение площади одного витка контура q на количество витков в контуре n: Q = n·q. Таким образом I = J·Q. Во времени момент изменяется по ступенчатому закону, для описания которого используется функция Хэвисайда:

σ(t) = (1)

С помощью этой функции момент запишется в виде: I(t) = I₀σ(t) (*), где I₀ - ампли­тудное значение момента.

Пусть источником первичного поля служит незаземленная петля, момент которой равен I. В поле такой петли на практике измеряются азимутальная компонента электриче­ского поля Е_φ и вертикальная компонента напряженности магнитного поля H_z. Процесс распространения низкочастотного электромагнитного поля в Земле удовлетворяет таким же дифференциальным уравнениям, каким описывается процесс прохождения перемен­ного во времени электрического сигнала через так называемые линейные системы, например, через электрические фильтры. Если U(t) - входной сигнал, поступающий на вход системы, V(t) - сигнал на ее выходе, К(ω) - частотная характеристика системы, то спектры входного u(ω) и выходного υ(ω) сигналов связаны соотношением: u(ω) = К (ω)·v(ω) - так называемое преобразование в частотной области. Следовательно, сигнал на выходе V(t) можно рассчитать, пользуясь уравнением:

V(t) = = (2)

С учетом (2) для прямой задачи ЗС справедлива такая схема вычислений: входным сигналом является момент источника первичного поля I; земля характеризуется некоторой частотной характеристикой K₃(ω); выходными сигналами являются азимутальная компонента электрического поля E_φ(t) или вертикальная компонента напряженности магнитного поля H_z(t). В качестве частотных характеристик при расчете азимутальной ком­поненты электрического поля E_φ(t) и вертикальной компоненты напряженности магнитно­го поля H_z(t) рассматриваются приведенные к единице момента соответствующие компо­ненты источника, в котором ток изменяется по гармоническому закону: К_е(ω) = Е_φ(ω)/I, K_h(ω) = H_z(ω)/I.

Спектральная плотность функции Хэвисайда определяется из соотноше­ния:

S_σ = = - . Следовательно, спектр входного сигнала будет удовлетво­рять уравнению: S_I = = - .

Тогда искомые компоненты E_φ(t) и H_z(t) можно вычислить, пользуясь соотношением вида:

E_φ(t) = = - ,

H_z(t) = = - . (3)