Анализ возможностей тензорной электроразведки на основании математического 3D моделирования
|
1. Введение. 2
2. Физико-математические основы тензорных измерений. 4
2.1 Определение тензора 4
2.2 Физико-математические основы тензора кажущегося сопротивления и поляризуемости. 5
2.3 Свойства тензора кажущегося сопротивления и поляризуемости. 8
2.4 Условия вычисления тензора кажущегося удельного электрического сопротивления. 12
3. Оценка условия ортогональности разных установок. 13
4. Моделирование тензора кажущейся поляризуемости и кажущегося сопротивления в анизотропной среде. 18
5. 3D математическое моделирование в изотропных средах с проводящими и поляризующими телами. 24
5.1 Методика 3D моделирования. 24
5.2 Параметры установок и сетки для моделирования. 26
5.3 Модель вертикальной границы. 28
5.4 Модель с одним телом. 32
5.5 Модель с двумя телами. 46
5.6 Обобщение результатов моделирования. 54
6. Практическое применение тензорной методики ВП и КС. 56
6.1 Краткая геологическая характеристика участка Прогноз. 56
6.2 Геоэлектрические свойства пород участка. 60
6.3 Методика проведения работ. 61
6.4 Результаты работ. 63
6.5 Выводы по результатам полевых работ 69
7. Заключение. 70
8. Используемая литература. 72
2. Физико-математические основы тензорных измерений. 4
2.1 Определение тензора 4
2.2 Физико-математические основы тензора кажущегося сопротивления и поляризуемости. 5
2.3 Свойства тензора кажущегося сопротивления и поляризуемости. 8
2.4 Условия вычисления тензора кажущегося удельного электрического сопротивления. 12
3. Оценка условия ортогональности разных установок. 13
4. Моделирование тензора кажущейся поляризуемости и кажущегося сопротивления в анизотропной среде. 18
5. 3D математическое моделирование в изотропных средах с проводящими и поляризующими телами. 24
5.1 Методика 3D моделирования. 24
5.2 Параметры установок и сетки для моделирования. 26
5.3 Модель вертикальной границы. 28
5.4 Модель с одним телом. 32
5.5 Модель с двумя телами. 46
5.6 Обобщение результатов моделирования. 54
6. Практическое применение тензорной методики ВП и КС. 56
6.1 Краткая геологическая характеристика участка Прогноз. 56
6.2 Геоэлектрические свойства пород участка. 60
6.3 Методика проведения работ. 61
6.4 Результаты работ. 63
6.5 Выводы по результатам полевых работ 69
7. Заключение. 70
8. Используемая литература. 72
При проведении съёмок скалярными методиками КС или ВП наблюдается сильная зависимость величины и формы поля от ориентации установки. Аномалии в изотропных средах стремятся ориентироваться перпендикулярно токовым линиям даже если аномалеобразующие тела залегают под другим простиранием. Анизотропные среды при проведении скалярной съёмки тоже отображаются не верно. Это вызвано тем, что на самом деле кажущиеся сопротивление и поляризуемость являются тензорными величинами и для их полной независимой характеристики не достаточно одного скалярного представления.
Анизотропией сопротивления геофизики стали заниматься давно. Первые работы братьевSchlumberger[Schlumberger, Schlumberger, Leonardon, 1934] появились ещё в начале 30-ых годов прошлого века. В России в те годы этим вопросом занимались Комаров С. Г., Дахнов В.Н., Семёнов А.С [Бобачёв и др., 2012].
Тогда были введены понятия микро-, макро- и псевдоанизотропии. Микроанизотропия – свойство среды, при котором в любой её точке сопротивление не описывается скалярной функцией, а только тензором. Такими свойствами обладают толщи,состоящие из малых элементов двух разных сред. Например, слой глины, в котором горизонтально вытянутые кристаллы разделены капиллярной водой. Макроанизотропия наблюдается при чередовании нескольких разных по литологии слоёв. Для наличия этого типа обязательна малая мощность каждого слоя по сравнению с размерами установки. К таким средам относятся флишевые толщи. При макроанизотропии совокупность чередующихся слоёв ведёт себя как единая среда с разным сопротивлением в крест и вдоль слоистости. Задавая мощность слоёв бесконечно малой, мы перейдём к микроанизотропии. Псевдоанизотропия – чисто теоретический термин, используемый при объединении двух или более слоёв в один, для полеточной интерпретации ВЭЗ. Границы между типами условны и определяются относительными размерами слоёв.
Теория проводимости в анизотропных средах развивалась, и в 1967 году Habberjamи Watkins[Habberjam, G.M., Watkins, 1967]предложили использовать «квадратную» установку с двумя перпенидкулярными токовыми диполями, повёрнутыми на 45° относительно измерительной линии. Похожая схема измерений рассмотрена и в этой работе. Изучение анизотропных по сопротивлению сред активно продолжалось и продолжается сейчас как за рубежом, так и у нас. Были разработаны методики измерения и различные способы оценки степени анизотропии. В России вклад в изучение этого эффекта внесли геофизические школы: Петербургская (Шейманн С.М., Семёнов А.С., Вешев, А.В., Фокин А.Ф.), Московская (Заборовский А.И., Огильви А.А., Шемякин Е.А.) и Екатеринбургская (Гуревич Ю.М., Редозубов А.А., Сысков С.С.)[Бобачёв и др., 2012].
Анизотропия сопротивления была изучена подробно, но анизотропия кажущейся поляризуемости практические не рассматривалась геофизиками. Существуют работы по изучению поляризуемости внутри образцов пород и сред с разной ориентацией электронпроводящих включений [Gurin, Titov, 2019], но рассмотрению анизотропии именно кажущейся поляризуемости уделено крайне мало исследований. Хотя интуитивно понятно, что среды так же могут обладать всеми описанными видами анизотропии, но по поляризуемости. Кроме того, форма аномалии для скалярной съёмки ВП в изотропных средах так же зависит от ориентации токовых линий.
Таким образом возникает две основные ситуации, в которых для полного и независимого описания поля кажущегося сопротивления или поляризуемости необходимо применять тензорную методику. Первая – изотропная среда, в которой не наблюдается анизотропия в самой толще, но наличие неоднородности в виде тела с отличными от среды геоэлектрическими параметрами приводит к искажению первичного поля токового диполя. Тогда проявляется анизотропия именно кажущихся параметров, а не истинных. Вторая – анизотропная толща, в которой этот эффект вызван чередованием нескольких пластов с разными геоэлектрическими параметрами, мощность которых много меньше величины установки. Такая среда ведёт себя как единый слой с разным сопротивлением вдоль и в крест слоистости.
Целью работы является анализ возможностей съёмки тензорной методикой как для кажущегося сопротивления, так и для кажущейся поляризуемости. Выяснение её преимуществ, ограничений применения, изучение параметров получаемых по результатам измерений. Рассматривается подход к реализации тензорных измерений основанный на исследованиях Bibby[Bibby, 1977] и на результатах практической реализации опытно-методических работ над рудной зоной на серебряном месторождении Прогноз республика Саха (Якутия). Задачи:
• Рассмотрение методики вычисления, выявление ограничений применения
• Анализ разных установок и выявление наиболее применимых
• Моделирование прямой задачи для разных установок и моделей
• Проведение полевых измерений тензорной методикой
Анизотропией сопротивления геофизики стали заниматься давно. Первые работы братьевSchlumberger[Schlumberger, Schlumberger, Leonardon, 1934] появились ещё в начале 30-ых годов прошлого века. В России в те годы этим вопросом занимались Комаров С. Г., Дахнов В.Н., Семёнов А.С [Бобачёв и др., 2012].
Тогда были введены понятия микро-, макро- и псевдоанизотропии. Микроанизотропия – свойство среды, при котором в любой её точке сопротивление не описывается скалярной функцией, а только тензором. Такими свойствами обладают толщи,состоящие из малых элементов двух разных сред. Например, слой глины, в котором горизонтально вытянутые кристаллы разделены капиллярной водой. Макроанизотропия наблюдается при чередовании нескольких разных по литологии слоёв. Для наличия этого типа обязательна малая мощность каждого слоя по сравнению с размерами установки. К таким средам относятся флишевые толщи. При макроанизотропии совокупность чередующихся слоёв ведёт себя как единая среда с разным сопротивлением в крест и вдоль слоистости. Задавая мощность слоёв бесконечно малой, мы перейдём к микроанизотропии. Псевдоанизотропия – чисто теоретический термин, используемый при объединении двух или более слоёв в один, для полеточной интерпретации ВЭЗ. Границы между типами условны и определяются относительными размерами слоёв.
Теория проводимости в анизотропных средах развивалась, и в 1967 году Habberjamи Watkins[Habberjam, G.M., Watkins, 1967]предложили использовать «квадратную» установку с двумя перпенидкулярными токовыми диполями, повёрнутыми на 45° относительно измерительной линии. Похожая схема измерений рассмотрена и в этой работе. Изучение анизотропных по сопротивлению сред активно продолжалось и продолжается сейчас как за рубежом, так и у нас. Были разработаны методики измерения и различные способы оценки степени анизотропии. В России вклад в изучение этого эффекта внесли геофизические школы: Петербургская (Шейманн С.М., Семёнов А.С., Вешев, А.В., Фокин А.Ф.), Московская (Заборовский А.И., Огильви А.А., Шемякин Е.А.) и Екатеринбургская (Гуревич Ю.М., Редозубов А.А., Сысков С.С.)[Бобачёв и др., 2012].
Анизотропия сопротивления была изучена подробно, но анизотропия кажущейся поляризуемости практические не рассматривалась геофизиками. Существуют работы по изучению поляризуемости внутри образцов пород и сред с разной ориентацией электронпроводящих включений [Gurin, Titov, 2019], но рассмотрению анизотропии именно кажущейся поляризуемости уделено крайне мало исследований. Хотя интуитивно понятно, что среды так же могут обладать всеми описанными видами анизотропии, но по поляризуемости. Кроме того, форма аномалии для скалярной съёмки ВП в изотропных средах так же зависит от ориентации токовых линий.
Таким образом возникает две основные ситуации, в которых для полного и независимого описания поля кажущегося сопротивления или поляризуемости необходимо применять тензорную методику. Первая – изотропная среда, в которой не наблюдается анизотропия в самой толще, но наличие неоднородности в виде тела с отличными от среды геоэлектрическими параметрами приводит к искажению первичного поля токового диполя. Тогда проявляется анизотропия именно кажущихся параметров, а не истинных. Вторая – анизотропная толща, в которой этот эффект вызван чередованием нескольких пластов с разными геоэлектрическими параметрами, мощность которых много меньше величины установки. Такая среда ведёт себя как единый слой с разным сопротивлением вдоль и в крест слоистости.
Целью работы является анализ возможностей съёмки тензорной методикой как для кажущегося сопротивления, так и для кажущейся поляризуемости. Выяснение её преимуществ, ограничений применения, изучение параметров получаемых по результатам измерений. Рассматривается подход к реализации тензорных измерений основанный на исследованиях Bibby[Bibby, 1977] и на результатах практической реализации опытно-методических работ над рудной зоной на серебряном месторождении Прогноз республика Саха (Якутия). Задачи:
• Рассмотрение методики вычисления, выявление ограничений применения
• Анализ разных установок и выявление наиболее применимых
• Моделирование прямой задачи для разных установок и моделей
• Проведение полевых измерений тензорной методикой
Методика тензорных наблюдений является логичным развитием «классической» электроразведки методом ВП. В результате математического моделирования было уставлено следующее:
1. Компоненты тензоров кажущейся поляризуемости и кажущегося сопротивления почти не зависят от ориентации питающих и приёмных линий и соответственно лучше отражают распределение в 3Dгеоэлектрических неоднородностей.
2. Тензоры позволяют вычислять большое количество параметров, которые могут быть использованы для более глубокой и достоверной геологической интерпретации данных электроразведки ВП. Это координатные инварианты и структурные характеристики (ориентировка эллипса анизотропии).
3. Тензоры кажущегося сопротивления и поляризуемости позволяют оценить стерпеть анизотропии геологической среды, что может быть весьма полезным при работах в условиях развития флишоидных тонкослоистых формаций или для исследования зон интенсивной однонаправленной трещинноватости (зоны разломов).
4. Измерение векторов поля, скорее всего, позволяет проводить более достоверное решение 3Dобратной задачи даже при малом количестве положение питающих линий. То есть векторные и тензорные наблюдения, скорее всего, необходимы при проведении 3Dтомографии ВП, что требует отдельного исследования.
Возможность и работоспособность тензорной съемки методом ВП была подтверждена полевыми опытно-методических работами над известным рудным объектом. Главными недостатками тензорной съемки является высокая трудоёмкость, что ограничивает ее применение только на стадии детальных поисков. Этот недостаток является следствием недостаточного развития геофизической аппаратуры, что выражается в отсутствии приборов, измеряющих знак напряжения пропускания и напряжения ВП относительно фазы тока. Также очевидно, что для векторных измерений необходимо иметь двухканальный измеритель ВП. Еще одним способом увеличения производительности тензорных измерений является разделение по частоте тока в питающих линиях. В частотном диапазоне это позволит и измерять отклик от всех токовых линий одновременно.
Мы надеемся представленная выше работа даст толчок к дальнейшему развитию тензорной электроразведки ВП.
1. Компоненты тензоров кажущейся поляризуемости и кажущегося сопротивления почти не зависят от ориентации питающих и приёмных линий и соответственно лучше отражают распределение в 3Dгеоэлектрических неоднородностей.
2. Тензоры позволяют вычислять большое количество параметров, которые могут быть использованы для более глубокой и достоверной геологической интерпретации данных электроразведки ВП. Это координатные инварианты и структурные характеристики (ориентировка эллипса анизотропии).
3. Тензоры кажущегося сопротивления и поляризуемости позволяют оценить стерпеть анизотропии геологической среды, что может быть весьма полезным при работах в условиях развития флишоидных тонкослоистых формаций или для исследования зон интенсивной однонаправленной трещинноватости (зоны разломов).
4. Измерение векторов поля, скорее всего, позволяет проводить более достоверное решение 3Dобратной задачи даже при малом количестве положение питающих линий. То есть векторные и тензорные наблюдения, скорее всего, необходимы при проведении 3Dтомографии ВП, что требует отдельного исследования.
Возможность и работоспособность тензорной съемки методом ВП была подтверждена полевыми опытно-методических работами над известным рудным объектом. Главными недостатками тензорной съемки является высокая трудоёмкость, что ограничивает ее применение только на стадии детальных поисков. Этот недостаток является следствием недостаточного развития геофизической аппаратуры, что выражается в отсутствии приборов, измеряющих знак напряжения пропускания и напряжения ВП относительно фазы тока. Также очевидно, что для векторных измерений необходимо иметь двухканальный измеритель ВП. Еще одним способом увеличения производительности тензорных измерений является разделение по частоте тока в питающих линиях. В частотном диапазоне это позволит и измерять отклик от всех токовых линий одновременно.
Мы надеемся представленная выше работа даст толчок к дальнейшему развитию тензорной электроразведки ВП.