Электроразведка. (Для крусача) Метод ВП

УДК 550.837+ 550.370

Комаров В. А. Электроразведка методом вызванной поляризации. 2-е изд., перераб. и доп.

Л., Недра, 1980. 391 с.

Во втором издании книги отражены достижения метода вызванной поляризации (ВП), широко применяемого в практике геофизических работ, обобщены результаты отечественных и зарубежных исследований природы и закономерностей ВП пород и руд. Описаны методические приемы полевых работ, техника измерения полей ВП, способы истолкования получаемых данных и практические результаты применения метода на месторождениях различных типов. Впервые освещены особенности изучения временных и нелинейных параметров ВП.

Книга предназначена для геофизиков производственных организаций, использующих метод ВП.

Табл. 28, ил. 177, список лит. 426 назв.

Издательство «Недра», 1980

2

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

Заслуги успешного применения метода вызванной поляризации (ВП) при поисках и разведке рудных месторождений в СССР принадлежат главным образом работникам Всесоюзного научно-исследовательского института методики и техники разведки (ВИТР), производственных экспедиций Министерства геологии СССР и Мытищинского приборостроительного завода, освоившего серийный выпуск аппаратуры для этого метода.

Сотрудники ВИТР Л. М. Иоффе, Л. С. Хлопонина, М. В. Семенов, Н. А. Пишпарева, а также сотрудники производственных экспедиций О. М. Шаповалов, А. Н. Балашев, Я. В. Маркушин, И. И. Попов, В. А. Шафаренко исследовали природу и закономерности ВП горных пород и руд в лабораторных и полевых условиях. Полученные ими материалы составляют значительную часть настоящей книги.

Впредыдущие годы ВИТР опубликовал две монографии [268, 280]. В связи с этим

впредлагаемой читателям книге меньшую часть занимают теоретические расчеты полей ВП и методика скважинных работ, большую часть - сведения о природе явления ВП, анализ принципиальных возможностей этого метода и перспективы его дальнейшего развития.

3

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

За годы, прошедшие после первого издания книги, метод ВП получил дальнейшее развитие. Существенно расширился фронт его применения. Разнообразные рудные месторождения стали обычными объектами поисков с помощью метода ВП. Доказаны его возможности для поисков нефтегазовых месторождений. Обновляется техническая база метода, разработаны и применяются в производственной практике новые приемы изучения временных и нелинейных параметров ВП.

Во втором издании использованы предложения и материалы, присланные автору А. Н. Балашевым, В. Н. Земцовым, Ю. Т. Ильиным, В. И. Лемецом, Я. В. Маркушиным, И. И. Поповым, П. В. Роксиным, А. А. Смирновым, В. Ю. Чернышом, И. С. Чуприным, О. М. Шаповаловым, Б. Б. Шатровым, В. А. Шафаренко и другими. Автор выражает глубокую признательность им и К. Г. Шубниковой, оказавшей большую помощь в оформлении рукописи.

Заново написаны разделы книги, касающиеся временных и нелинейных параметров. Уточнены теоретические положения, касающиеся роли и взаимосвязи временных и частотных характеристик ВП. Расширены примеры практического применения метода. Описания устаревшей аппаратуры заменены изложением принципов построения комплексных станций, предназначенных для изучения вторичных электрических полей в широком диапазоне времени переходного процесса или частоты переменного тока.

4

ВВЕДЕНИЕ

Появление метода вызванной поляризации (ВП) положило начало активному использованию в геологии электрохимических процессов, происходящих в горных породах и рудах под действием электрического тока. Электрические токи, создаваемые в земле самопроизвольными электрохимическими процессами, изучаются давно и служат основой известного метода естественного электрического поля, в развитие которого важный вклад внесли геофизики Ленинградского университета, руководимые профессором А. С. Семеновым [249, 255]. Условия интенсивного проявления естественных полей сложны и не всегда благоприятны на рудных месторождениях. Принудительное создание электрической поляризации расширяет возможности обнаружения месторождений и открывает дополнительные перспективы изучения геоэлектрохимических явлений.

Идея использования ВП руд с геологическими целями впервые высказана французским геофизиком К. Шлюмберже, взявшим соответствующий патент еще в 1912 г. К. Шлюмберже обосновал предложение тем, что под действием электрического тока на границе электронопроводящей рудной залежи и вмещающей ионопроводящей среды возникает водородно-кислородный гальванический элемент, разрядка которого порождает вторичный электрический ток (рис. 1). В качестве параметра ВП К. Шлюмберже [316] ввел отношение поля ВП, наблюденного после выключения первичного тока, к полю во время пропускания тока. Это отношение было обозначено латинскими буквами РР (пофранцузски вызванная поляризация — polarisation provoquee) и выражено в процентах.

В 20-х годах К. Шлюмберже пытался обнаружить ВП рудных тел в полевых условиях, но сам признал опыты неудачными из-за помех, обусловленных изменением естественной разности потенциалов между измерительными электродами [315]. В дальнейшем К. Шлюмберже и сотрудники его фирмы занялись изучением ВП горных пород в применении к каротажу скважин на нефтяных месторождениях [316]. Тогда же О. Вейс предложил использовать метод ВП для решения задач структурной геологии [421].

и Н. Н. Рагулин в лаборатории физико-химических методов геофизического сектора ЦНИГРИ (ныне ВСЕГЕИ). Они установили характер зависимости ВП от плотности поляризующего тока, времени его действия, состава рудного минерала и контактирующего с минералом электролита, а вместе с тем подтвердили предположение К. Шлюмберже о возможности создания заметной электрохимической э. д. с. на поверхности рудных минералов. Н. Н. Рагулин предсказал возможность больших эффектов ВП у вкрапленных руд и правильно наметил методику полевых работ. В частности, он указал на пригодность использования в методе ВП схем срединного градиента, профилирования и

5

вертикального зондирования, а также на осуществимость измерений как в режиме одиночных, так и периодических однополярных импульсов тока. Полевые работы Е. А. Сергеев и Н. Н. Рагулин не провели из-за нехватки средств.

Впослевоенные годы профессор В. Н. Дахнов и его сотрудники разработали методику измерений полей ВП в скважинах (электролитический каротаж), получившую широкое распространение при каротаже скважин на угольных месторождениях и в некоторой мере на нефтяных месторождениях. Характерная черта этой методики заключается в том, что измерения выполняются в непосредственной близости от токового электрода с помощью одноили двухэлектродного потенциал-зонда, причем интерпретируются по графикам потенциала ВП [83-85, 319]. Применение электролитического каротажа обеспечило выделение угольных пластов в тех случаях, когда они мало отличаются по удельному электрическому сопротивлению и когда другие электрометрические методы неэффективны [40, 41, 79]. Внедрение электролитического каротажа в практику стимулировало научный интерес к явлению ВП. В 50-х годах в Московском нефтяном институте* и во Всесоюзном научно-исследовательском институте геофизических методов разведки (ВНИИгеофизика) разносторонне исследована ВП и дано теоретическое объяснение этому явлению [83, 166, 167, 174 - 177].

*Ныне Московский институт нефтехимической и газовой промышленности имени И. М. Губкина.

6

Одновременно были предприняты опытные работы по методу ВП и на рудных месторождениях. В 1948 г. на Урале сначала Г. П. Саковцев (Свердловский горный институт), затем А. С. Поляков (ВИРГ) провели исследования, в свое время намеченные, но не осуществленные Н. Н. Рагулиным. При этом А. С. Поляков показал преимущество схемы срединного градиента по сравнению со схемой прослеживания изолиний потенциала ВП и подтвердил целесообразность использования предложенного К. Шлюмберже параметра PP. Этот параметр в дальнейшем назван поляризуемостью, и обозначен η).

В1949 г. на месторождениях Среднего Урала были изучены зависимости ВП от поляризующего тока и времени зарядки, на основании которых А. С. Поляков сделал вывод о необходимости применять длительную зарядку и большую силу тока, чтобы обеспечить достаточное значение измеряемых сигналов ВП. А. С. Поляков также показал преимущество измерений мгновенных значений напряжения ВП после отдельных импульсов тока перед измерением средних значений напряжения ВП, осуществляемым с помощью пульсатора в режиме периодических импульсов тока, как это делали, следуя примеру К. Шлюмберже. А. С. Поляков рассмотрел возможные источники возникновения ВП рудных залежей и горных пород и подчеркнул, что «к вопросам интерпретации полевого материала по данному методу следует подходить с большой осторожностью, так как наряду с поляризацией рудных тел может наблюдаться довольно значительная поляризация и вмещающих пород» [221, с. 38].

В1950-1951 гг. опытные работы проведены экспедициями ВИРГ в Казахстане и на Алтае, Свердловским горным институтом на Урале, Ташкентским политехническим институтом в Узбекистане. Мнения о перспективах и формах применения метода ВП оказались противоречивыми. Недостаточная изученность закономерностей ВП привела к разногласиям в истолковании наблюдавшихся эффектов. Серьезной проблемой было признано выделение аномалий ВП, порождаемых рудными телами, на фоне поляризации вмещающих пород. Г. П. Саковцев выполнил специальные лабораторные исследования над моделями рудных тел и теоретические расчеты, чтобы оценить возможное в полевых условиях значение аномалий ВП. Он пришел к заключению, что в силу весьма малой плотности поляризующего тока, действующей на поверхности рудного тела, и соответственно малой э. д. с. ВП «в полевых условиях при разносах установки 500 м и токе I = 10 А вызванная поляризация оруденения практически отсутствует и наблюдается

6

лишь поле приэлектродных зон» [245, с. 35]. Под полем приэлектродных зон понимался эффект выравнивания потенциалов горных пород, которые за счет изменения концентрации растворов в приэлектродных зонах приобрели высокий положительный потенциал вблизи положительного токового электрода и отрицательный - вблизи отрицательного электрода.

Эта идея была близка к гипотезе А. С. Полякова, утверждавшего, что «основной причиной образования вызванных потенциалов горных пород в рассмотренном случае является накопление зарядов в неоднородном поле, существующем вблизи питающих электродов» [221, с. 37]. Теоретическое подтверждение идеи дал Ю. П. Булашевич, показавший, что «при условии физической и химической неоднородности среды необходимость существования подобных зарядов является простым следствием макроскопической теории поля» [35, с. 58].

Полевые работы, выполненные в 1952-1953 гг. на месторождениях Рудного Алтая Ю. С. Рыссом и автором, подтвердили возможность получения значительных аномалий ВП над рудными телами, и в Каменской геофизической экспедиции метод ВП стал применяться для разделения электроразведочных аномалий, обусловленных электронопроводящими рудными объектами и ионопроводящими «карманами» наносов, обводненными тектоническими зонами и т. п. Объяснение аномалиям ВП пытались найти

вэффекте объемной поляризации сульфидных вкрапленников.

В1953 г. американский геофизик Д. Блейл [338] все наблюдаемые эффекты ВП объяснил влиянием рассеянной рудной минерализации (поляризацию ионопроводящих горных пород он отвергал). На большую роль вкрапленности указывал, исходя из теоретических соображений, и немецкий геофизик В. Бухгейм [342, 343], изучавший поляризацию при возбуждении ее переменным током различной частоты.

Ю. П. Булашевич теоретически оценил роль вкрапленности и сделал важный вывод о возможности создания заметных полей ВП рудными зонами с достаточной концентрацией сульфидной вкрапленности [34].

С 1954 г. разработкой метода ВП занялся вновь организованный Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки (ВИТР). Группе сотрудников, в том числе М. В. Семенову и автору этих строк, уже имевшим опыт полевых и лабораторных исследований ВП, было поручено создать надежную аппаратуру, изучить закономерности ВП горных пород и руд, опробовать этот метод на различных месторождениях и оценить его практические возможности. Л. М. Иоффе сконструировал несколько видов экспериментальной аппаратуры, которая обеспечила осциллографическую запись спада напряжения ВП после импульсов постоянного тока. С этой аппаратурой М. В. Семенов, Л. С. Хлопонина и Н. А. Пишпарева разносторонне исследовали ВП электронопроводящих минералов и ионопроводящих горных пород [53, 137]. Одновременно в содружестве с Каменской геофизической экспедицией ВИТР провел опытные работы на безрудных участках и полиметаллических месторождениях Рудного Алтая. В итоге были собраны материалы, позволившие уточнить закономерности ВП горных пород и руд, сформулировать требования к аппаратуре и предложить методику истолкования результатов полевых измерений. Последняя основывалась на обнаруженной устойчивости поляризуемости безрудных пород, превышение верхнего предела которой оказалось надежным признаком влияния электронных проводников. Полевые данные свидетельствовали о причинной связи выявляемых аномалий ВП с зонами рудной минерализации [53, 122, 123, 140, 242].

В1957-1958 гг. метод ВП был опробован на разнообразных рудных месторождениях в Грузии, Центральном Казахстане, на Кольском полуострове. Полученные данные позволили рекомендовать метод для производственного применения как эффективное средство поисков месторождений, представленных сульфидными рудами, особенно вкрапленными, которые являются трудным объектом для других геофизических методов. Для внедрения метода ВП ВИТР в 1958 г. изготовил 10 комплектов приставок,

7

позволивших использовать для проведения работ методом ВП распространенные тогда в геофизических организациях электроразведочные потенциометры ЭП-1 и бензоэлектрические зарядные агрегаты [109]. В 1960 г. выпуск партии таких приставок был организован О. М. Шаповаловым в Челябинской экспедиции.

ВКазахстане были изготовлены приставки к электронному стрелочному компенсатору ЭСК-1, которые в дальнейшем были усовершенствованы и приспособлены для работ в режиме разнополярных импульсов [235]. Изготовление упрощенной аппаратуры позволило многим экспедициям провести опытно-производственные работы и убедиться в целесообразности применения метода ВП. Внедрению метода ВП способствовали публикации методических указаний [143], освещающих опыт практического использования метода ВП. Одновременно были предприняты меры для организации серийного выпуска специальной аппаратуры.

В1959 г. ВИТР, ВНИИгеофизика и Мытищинский приборостроительный завод (МПЗ) совместно разработали опытный образец станции ВП-59 с осциллографической записью измеряемого напряжения на фотобумагу [211 ]. В 1960 г. на МПЗ был налажен серийный выпуск станций ВП-59, получивших широкое распространение в СССР и за рубежом. В последующие годы ВИТР и МПЗ разработали новые виды автомобильной, облегченной и переносной аппаратуры: ВП-62, ВПО-62 и ВПП-67. Одновременно А. С. Поляков и Н. И. Воскобойник [2231 сконструировали регистратор, позволяющий записывать напряжение ВП на бумажную ленту.

В1958-1961 гг. сотрудники ВИТР разработали основы скважинных вариантов метода ВП [258-260]. В последующие годы скважинные варианты опробованы во многих районах СССР. Для обеспечения скважинных работ ВИТР и МПЗ разработали электроразведочную станцию ВПС-63, серийно выпускаемую МПЗ с 1964 г. [268].

Еще в 1957-1958 гг. сотрудники МГРИ М. И. Плюснин и А. Ф. Постельников предложили методику непрерывных измерений кажущейся поляризуемости [217], которая удачно была опробована на месторождениях вкрапленных руд, но лишь в последнее время нашла надежное техническое подкрепление в виде автоматической аппаратуры, разработанной в объединении «Сибцветметавтоматика» В. Ф. Лебедевым, В. Р. Шефером

иВ. И. Иголкиным.

Массовый выпуск аппаратуры позволил осуществить повсеместное внедрение метода ВП в геологоразведочную практику. Работники производственных организаций на Рудном Алтае (В. А. Белаш, Я. В. Маркушин), Урале (О. М. Шаповалов), Кавказе (А. Е. Гезин), в Норильске (А. М. Волыхин), Средней Азии (А. Н. Балашев, И. И. Попов, В. И. Могильников) не только активно осваивали новый электроразведочный метод, но и внесли важный вклад в его принципиальные теоретические и экспериментальные положения. А. Ф. Кондратенко и Г. Я. Шайдуров (Красноярск) разработали несколько видов оригинальной аппаратуры и заметно повлияли на выбор технических решений, реализованных в новой аппаратуре, выпускаемой заводами и подготавливаемой к серийному выпуску [150-152].

В решении вопросов теории метода и электрохимической природы процессов ВП сыграли значительную роль сотрудники вузов и научно-исследовательских институтов: И. И. Рокитянский, A. Ф. Постельников, Д. А. Фридрихсберг, М. П. Сидорова, B. В. Кормильцев, Б. И. Геннадиник, Р. В. Улитин, Г. Н. Михайлов, Э. Н. Кузьмина, Г. П. Нечаева, В. В. Жаворонкова, В. С. Моисеев и другие.

Фронт применения метода ВП в последние годы включил в себя исследования в рудниках, на нефтегазовых, пегматитовых, бокситовых месторождениях, при решении инженерно-геологических задач благодаря работам С. В. Бадаляна [12-14], А. В. Куликова, З. Д. Кругловой [163, 165], М. И. Голода [72, 73], Н. А. Гладкова [70], В. А. Ряполовой [244] и многих других.

Публикации теоретических и экспериментальных работ профессора Фрайбергской горной академии (ГДР) В. Бухгейма [37, 38, 342, 343] привлекали внимание советских

8

геофизиков и послужили толчком для исследований процессов ВП на переменном токе. С I960 г. такие исследования проводятся в Институте геофизики Уральского научного центра АН СССР Г. В. Астраханцевым и Р. В. Улитиным [8, 9, 283, 284]. В последующие годы аппаратура, методика и теоретические аспекты амплитудных и фазовых способов регистрации процесса ВП успешно разрабатывались во МГРИ (Л. 3, Бобровников, В. П. Мельников, В. А. Попов и другие), ВНИИгеофизике (А. В. Куликов, Е. А. Шемякин), КазВИРГ (В. Ф. Сарбаш, В. И. Лемец), СКВ Казахского опытно-экспериментального завода геофизических приборов (В. Д. Жильников), Институте мерзлотоведения СОАН

СССР (Б. И. Геннадиник) [64, 192, 276, 286, 287, 318].

Рис. 2. Затраты в мире на геофизические работы в 1950-1969 гг. (по Ж. Бертину [336]).

Методы: 1 - ВП, 2 - сопротивлений, 3 - электромагнитные индукционные, 4 - магниторазведка, 5 - гравиразведка, 6 - радиоактивные, 7 - сейсморазведка; 8 - скважинные работы; 9 - другие работы; 10 - общие затраты.

В 1972 г. была разработана электроразведочная станция ИНФАЗ-ВП, предназначенная для фазовых измерений ВП в диапазоне частот от 0,3 до 78 Гц, затем в 1975 г. переносная аппаратура ВПФ, дающая техническую базу для широкого внедрения метода ВП на переменном токе [120, 276, 286].

За рубежом удачную аппаратуру измерений на импульсном и периодическом переменном токе создали в США и Канаде А. Брант, Р. Болдвин, Г. Сигел, Ф. Халлоф. С начала 50-х годов частные фирмы «Ньюмонт» (Newmont Mining Co), «Мак-Фар» (McPhar Geophysics Ltd), «Шарп Инструменте» (Sharp Instruments) и другие успешно применяли метод ВП при поисках рудных месторождений. Несколько позднее американские ученые нашли путь к поискам с помощью метода ВП подземных вод [218, 395].

1959 г. оказался исключительно «урожайным» на интереснейшие публикации. Появилась статья Р. Болдвина [332] и монография под редакцией видного американского геофизика Дж. Вэйта [388], освещавшие результаты десятилетней работы большого коллектива специалистов. Дж. Шафл [403] описал экспериментальные исследования поляризации ионопроводящих сред. Д. Маршалл и Т. Мэдден [380] теоретически

9

объяснили явление ВП. Канадский геофизик Г. Сигел [404] предложил эффективный способ теоретических расчетов полей ВП в объемно поляризуемых средах. Югославский геофизик Ф. Шуми [411] показал практическую результативность рудничных вариантов метода ВП.

С середины 60-х годов метод ВП вышел на первое место в мире среди геофизических методов, применяемых при поисках рудных месторождений (рис. 2). В 1970 г. объем работ методом ВП в денежном выражении составлял более половины общих затрат.

Ведущие зарубежные геофизические фирмы: «Синтрекс» (Scintrex), «Мак-Фар инструменте» (McPhar Instruments), «Феникс Джеофизикс (Phoenix Geophysics), «Хантек»

(Huntec), «Кроун Джеофизикс» (Crone Geophysics) - выпускают на мировой рынок разнообразную аппаратуру для метода ВП. Крупнейшие горнорудные корпорации, такие как «Ньюмонт Майнинг», «Кеннекот» (Kennecot Cupper Co), ACAPKO (American Smelting and Refining Co), выполняют научные разработки и широко применяют метод ВП во многих районах мира [341, 367, 388]. В Канаде, США, Ирландии, Перу, Австралии, Южной Родезии, Филиппинах, Иране, Турции и других странах с помощью метода ВП открыты полиметаллические, медные и редкометалльные месторождения [354, 355, 358, 359, 366, 369, 371, 389, 391, 393, 399, 419].

Видный вклад в развитие научных основ метода ВП и его геологоразведочное применение внесли геофизики социалистических стран: Ж. Дойков [90, 353], Я. Грунторад

[363], Г. Носке [385, 386], Ф. Шуми [411-413], В. Выждя [418] и другие.

В последние годы помимо многочисленных статей появились крупные обобщающие работы по методу ВП [336, 415]. Одновременно наметился качественный скачок в развитии метода ВП.

Экспериментальные исследования О. М. Шаповалова, В. Ю. Черныша, А. П. Карасева, М. В. Семенова, Г. И. Березина и других показали, что поляризация геологического тела протекает в несколько этапов, каждый из которых характеризуется определенным временем «релаксации»: от микросекунд до нескольких суток [115, 233]. Благодаря О. М. Шаповалову возникла методика изучения дифференциальной поляризуемости, а стремление избавиться от электродинамических эффектов в ранней стадии переходного процесса уступило место целенаправленному измерению и интерпретации таких процессов [305-307].

Нелинейные эффекты ВП, специфическим образом связанные с минеральным составом поляризуемых тел, обнаружены при низких плотностях тока не только в лабораторных, но и в полевых условиях. А. А. Смирнову, Л. М. Иоффе, Л. 3. Бобровникову, В. А. Попову, В. В. Сушкевичу удалось практически доказать возможность применения параметров нелинейных процессов для распознавания аномалий ВП [144, 146, 203].

Оригинальный метод изучения частотных характеристик разработан К. Зонге [424]. Несомненную научную новизну и практическую перспективу имеет метод изучения магнитного поля вторичных токов ВП, предложенный и развиваемый более 10 лет Г. Сигелом [407].

10