Procédé de prospection électromagnétique du sous-sol
Il est connu de prospecter le sous-sol au moyen d'ondes électromagnétiques, dont les fréquences se situent, généralement dans le domaine des fréquences acoustiques.
Le principe du procédé selon l'invention consiste à créer, de préférence dans l'air, à proximité du sol, un champ tournant à fréquence audible; ce champ pénètre dans le sol, les parties isolantes de celui-ci n'apportent aucune perturbation sensible à ce champ, par contre, les parties conductrices provenant, comme l'on sait, de minéralisation subissent l'effet du champ qui y induit des courants de Foucault créant un champ secondaire dont on peut déceler l'existence à la surface du sol.
On a déjà proposé d'appliquer ce procédé de la façon suivante:
Un cadre placé dans un plan vertical à la surface du sol et fixe par rapport au sol est alimenté par une source de courant alternatif de fréquence convenable.
Un observateur situé dans une direction normale au plan du cadre dispose d'un appareil de réception qui lui permet de mesurer l'intensité de la composante verticale du champ reçu, ce champ résultant étant la somme du champ direct rayonné ou champ primaire et du champ secondaire créé par les dépôts minéralisés.
Un calcul simple montre que si la normale au plan du cadre est dirigée vers l'observateur, la composante verticale du champ magnétique créé au point d'observation par le courant alternatif circulant dans le cadre émetteur s'annule quand le sol est homogène.
L'existence de dépôts conducteurs minéralisés provoque des courants de Foucault créant un champ secondaire généralement déphasé par rapport au champ principal et présentant pratiquement toujours une composante verticale, quel que soit l'endroit où est situé l'observateur.
On voit donc que l'existence d'une composante verticale du champ reçu permet de conclure à l'existence d'une minéralisation.
Par suite, une minéralisation du sol se traduit par un courant dans un cadre placé dans un plan horizontal, c'est ce cadre qui alimente l'appareil de réception utilisé par l'observateur.
Mais, ce résultat n'est valable que si, comme déjà indiqué, la normale au plan du cadre est dirigée vers l'observateur.
En effet, s'il n'en est pas ainsi, il existe au point de réception une composante verticale du champ reçu, même en l'absence de toute minéralisation.
Or, l'expérience montre que cette obligation d'avoir à orienter la normale au plan du cadre émetteur dans la direction de l'observateur, constitue une lourde sujétion pour des travaux de prospection sur le terrain.
Certes, si l'observateur se trouve dans le plan horizontal contenant le centre du cadre, la composante verticale du champ est nulle, en l'absence de minéralisation, même quand le cadre émetteur n'a pas sa normale dirigée vers l'observateur, mais cette circonstance se présente rarement et il n'est pas permis de tabler sur cette éventualité dans la pratique.
Pour écarter cet inconvénient, on a déjà proposé d'effectuer la prospection au moyen d'un cadre ali menté par un courant d'intensité fixe indépendante du temps, ce cadre tournant autour d'un axe horizontal situé dans son plan, ce qui crée un champ tournant à une fréquence se situant également dans le domaine des fréquences acoustiques.
Dans ce cas, c'est la rotation du cadre qui induit dans les minéralisations des courants de Foucault variables que l'on peut déceler d'une façon analogue à celle indiquée ci-dessus.
Mais, les calculs montrent que cette méthode ne donne des résultats sûrs, qu'à la condition que l'axe horizontal autour duquel tourne le cadre soit dirigé vers l'observateur.
En effet, dans le cas contraire, il n'est pas possible de déduire des composantes du champ au point de réception, l'existence de minéralisations.
On retrouve donc l'inconvénient signalé ci-dessus.
La présente invention a pour objet un procédé de prospection évitant l'inconvénient ci-dessus et procurant, en outre, comme on le verra ci-après, d'autres avantages.
Ce procédé est caractérisé par le fait, que l'on crée à un poste d'émission, à proximité du sol un champ tournant à fréquence audible autour d'un axe vertical et mesure à un poste de réception la composante en quadrature de la composante verticale ou de rune ou l'autre de deux composantes horizontales du champ reçu.
L'invention comprend également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend, pour la réalisation du champ tournant au poste d'émission, un cadre tournant alimenté par un courant continu ou un aimant permanent tournant ou un système de deux cadres fixes perpendiculaires entre eux et alimentés par un générateur à fréquence audible, l'un directement, l'autre à travers un déphaseur.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, plusieurs mises en oeuvre particulières du procédé selon l'invention et représente des formes d'exécution particulières de l'appareil permettant ces mises en oeuvre.
La fig. 1 est un schéma théorique.
Les fig. 2 et 3 représentent une première forme d'exécution.
La fig. 4 illustre une seconde forme d'exécution.
Comme on va le voir, le fait que l'axe du cadre est vertical fournit un moyen simple de déceler les minéralisations, par l'étude des composantes du champ résultant au point d'observation.
Soit, fig. 1, un cadre vertical schématisé par une spire circulaire S de centre C, soit CN la direction de la normale au plan du cadre; l'observateur se trouve en P, la droite CP faisant un angle e avec CN.
Par raison de symétrie, le champ magnétique créé en P par le courant circulant dans la spire S n'a pas de composante normale au plan méridien
CPN: le vecteur champ est donc situé dans ce plan et, comme l'on sait, sa composante Hr suivant la droite CP et sa composante H* suivant la droite normale à CP et située dans le plan méridien ont respectivement pour valeurs:
H 2k cos µ H3 k sin e
r3 k étant un coefficient proportionnel au courant passant dans le cadre et r la distance CP (électrostatique et magnétostatique, E. Durand, Masson & Cie 1953, p. 52 à 53); on suppose, bien entendu, que le milieu est homogène (absence de minéralisation) et que le diamètre du cadre est négligeable devant la distance r.
A partir de ces expressions, on peut calculer les trois composantes du champ magnétique au point P en l'absence de minéralisation.
Le calcul à partir des formules de la trigonométrie sphérique montre que la composante verticale
Hz a pour valeur: k.
Hz 73 sin cos cos (p k et r étant définis ci-dessus, a étant l'angle que fait avec la verticale au point P la droite CP et tp étant l'angle entre la droite horizontale A contenue dans le plan vertical passant par PC et la droite PR menée par P parallèlement à la normale au plan du cadre CN, le cadre se trouvant, comme déjà indiqué, dans un plan vertical.
Le coefficient k est constant puisque le courant traversant le cadre ne varie pas en fonction du temps, par contre le cadre tournant d'un mouvement régulier autour d'un axe vertical passant par son centre, l'angle (p a pour valeur (p = out, o) étant égal à 2xn, la vitesse de rotation du cadre étant de n tours par seconde, t désignant le temps.
On prend comme origine des temps celui où la normale au plan du cadre se trouve dans le plan vertical contenant P.
I1 ressort de ces formules que la composante verticale Hz est, en l'absence de minéralisations, une fonction sinusoïdale du temps et qu'elle est en phase avec cos (p = cos oust.
Par contre, les minéralisations créent une composante verticale du champ qui est en quadrature avec cos cot.
On notera que cette conclusion est indépendante de la valeur c'est-à-dire de la dénivellation possible pouvant exister entre les points P et C.
On met à profit cette propriété et on décèle les minéralisations en isolant la composante en quadrature de la composante verticale du champ.
Il suffit, pour mesurer cette composante en quadrature, de connaître l'instant où la normale au plan du cadre traverse le plan vertical contenant le point d'observation P et le point C.
Un premier moyen pour arriver à ce résultat consiste à monter coaxialement sur l'axe de rotation du cadre S, un second cadran rayonnant un faisceau radioélectrique dirigé.
On sait qu'un champ radioélectrique à haute fréquence se localisant dans l'air n'est pas affecté par les minéralisations, il suffit donc au poste d'observation P de disposer d'un récepteur radio qui, après détection, fournit un courant sinusoïdal, le maximum de courant détecté se produisant, grâce à un calage convenable, quand la normale au plan du cadre rencontre ledit plan vertical contenant le point P.
Il suffit donc, au poste de réception de disposer une bobine ou un cadre à axe vertical, c'est-à-dire dans un plan horizontal, d'amplifier la tension détectée et de l'envoyer dans un détecteur équilibré recevant également à son entrée, la tension en cos t fournie par le récepteur radio.
En l'absence de minéralisation, ce détecteur équilibré fournit une tension de sortie pratiquement nulle, une minéralisation se traduisant par une tension de sortie notable, d'où le résultat désiré.
La fig. 2 représente schématiquement le montage utilisé au poste d'observation P.
On y voit, en 1, le cadre situé dans un plan horizontal et recueillant la composante verticale du champ, la tension à ses bornes est amplifiée en 2 et est amenée à l'une des entrées du détecteur équilibré 3.
D'autre part, une antenne 4 est sensible au champ haute fréquence du faisceau radioélectrique tournant, la tension reçue est amplifiée en 5 et détectée en 6 d'où elle est conduite à la seconde entrée du détecteur équilibré 3.
Ce détecteur d'un type bien connu, en lui-même, isole la composante en quadrature de la composante verticale du champ, composante qui constitue la tension de sortie du détecteur et qui est amenée à l'instrument de mesure 7.
Une déviation notable de cet instrument indique donc l'existence d'une minéralisation.
La fig. 3 montre schématiquement l'organisation du poste émetteur.
On y voit, calés sur un même axe vertical, deux cadres 8 et 9, cet axe tourne sur lui-même et est entraîné en rotation par un moteur 19 qui le fait tourner à une fréquence audible. Le cadre 9 est alimenté par un courant continu fourni par la source 10.
Le cadre 8 est alimenté par une tension radioélectrique d'amplitude constante fournie par le générateur 11. De préférence, les deux cadres sont situés dans le même plan.
On peut remplacer le cadre tournant 9 par un système de deux cadres croisés fixes alimentés par un générateur à fréquence audible, le courant traversant l'un des cadres étant déphasé de #/2.
La fig. 4 montre cette réalisation. On y retrouve le cadre tournant radioélectrique 8 entraîné par le moteur 19 et alimenté par le générateur fréquence 11.
Le cadre 9 est remplacé par un système de deux cadres fixes 12 et 13 disposés dans des plans verticaux perpendiculaires l'un à l'autre.
Ces cadres sont alimentés par un générateur 14 de tension alternative à fréquence audible, l'un des cadres étant alimenté directement, l'autre à travers un déphaseur 15 introduisant un déphasage de #/2.
On sait qu'une telle disposition rayonne le même champ tournant que le cadre rotatif 9 de la fig. 3.
Dans cette réalisation, il convient que la rotation du moteur 19 soit synchronisée sur celle du champ tournant engendré par les courants traversant les ca
dres 12 et 13. Dans ce but, le moteur 19 est asservi de toute façon appropriée au générateur 14, ce qui est symbolisé par la liaison 16.
On peut de même remplacer le cadre tournant 8 par un système de deux cadres croisés fixes alimentés par un générateur radioélectrique fournissant une onde modulée à la fréquence de rotation, l'un directement, l'autre à travers un déphaseur introduisant un déphasage de #/2.
Dans une autre variante, le cadre 9 de la fig. 3 est purement et simplement remplacé par un aimant permanent de dimension convenable tournant autour d'un axe vertical perpendiculaire à son axe propre d'aimantation.
On notera enfin que les considérations développées ci-dessus concernant la composante verticale, peuvent également s'appliquer à la composante horizontale Hl, suivant l'horizontale A mais dans ce cas, il est nécessaire d'orienter le cadre vertical recevant cette composante de manière que sa normale se situe, suivant l'horizontale A de la fig. 1 (horizontale contenue dans le plan vertical contenant CP).
Pour connaître cette orientation, on peut sur le terrain utiliser toute méthode topographique appropriée ou encore une méthode radioélectrique bien connue en elle-même, consistant à faire entraîner par l'axe tournant du cadre 8 des fig. 3 ou 4, un alternateur dont la tension sert à moduler une onde radioélectrique auxiliaire qui est reçue et détectée au poste récepteur, la différence de phase entre l'onde basse fréquence ainsi reçue, et l'onde à la sortie du détecteur 6 fig. 2, constituant, comme l'on salit, une mesure de l'orientation, par rapport à une direction fixe (par exemple le Nord) du plan vertical contenant CP.
I1 est même possible de se servir de la composante horizontale H2 selon l'horizontale perpendiculaire à #, à condition que l'angle α soit voisin de #/@, 2 ce qui est généralement le cas (dénivellation peu importante entre les points P et C).
En effet, dans ces cas α est très voisin de #/2, et on a très approximativement, en l'absence de minéralisation
H2 ¯ HE = sin ç
r3
I1 suffit d'utiliser un cadre vertical convenablement orienté (c'est-à-dire situé dans le plan vertical contenant CP) et un détecteur équilibré alimenté par ce cadre et par la tension aux bornes de 6, mais après passage de celle-ci dans un déphaseur qui transforme la tension cos ot en une tension sin t.
Les dispositifs décrits offrent le gros avantage de permettre à plusieurs observateurs d'opérer simultanément à partir du champ rayonné par un seul poste émetteur.
Electromagnetic underground prospecting process
It is known practice to prospect the subsoil by means of electromagnetic waves, the frequencies of which are generally in the range of acoustic frequencies.
The principle of the method according to the invention consists in creating, preferably in the air, near the ground, a rotating field at audible frequency; this field penetrates into the ground, the insulating parts of this one do not bring any sensitive disturbance to this field, on the other hand, the conducting parts coming, as we know, from mineralization undergo the effect of the field which induces there Eddy currents creating a secondary field which can be detected on the ground surface.
It has already been proposed to apply this process as follows:
A frame placed in a vertical plane on the surface of the ground and fixed with respect to the ground is supplied by an alternating current source of suitable frequency.
An observer located in a direction normal to the plane of the frame has a receiving apparatus which enables him to measure the intensity of the vertical component of the received field, this resulting field being the sum of the radiated direct field or primary field and of the field secondary created by mineralized deposits.
A simple calculation shows that if the normal to the plane of the frame is directed towards the observer, the vertical component of the magnetic field created at the point of observation by the alternating current flowing in the emitting frame is canceled out when the ground is homogeneous.
The existence of mineralized conductive deposits causes eddy currents creating a secondary field generally out of phase with the main field and almost always having a vertical component, regardless of where the observer is located.
It can therefore be seen that the existence of a vertical component of the received field makes it possible to conclude that there is mineralization.
As a result, a mineralization of the ground results in a current in a frame placed in a horizontal plane, it is this frame which feeds the receiving apparatus used by the observer.
But, this result is only valid if, as already indicated, the normal to the plane of the frame is directed towards the observer.
In fact, if this is not the case, there exists at the reception point a vertical component of the received field, even in the absence of any mineralization.
However, experience shows that this obligation to have to orient the normal to the plane of the transmitting frame in the direction of the observer, constitutes a heavy constraint for prospecting work in the field.
Certainly, if the observer is in the horizontal plane containing the center of the frame, the vertical component of the field is zero, in the absence of mineralization, even when the emitting frame does not have its normal directed towards the observer, but this circumstance rarely occurs and it is not permissible to rely on this eventuality in practice.
To avoid this drawback, it has already been proposed to carry out prospecting by means of a frame supplied with a current of fixed intensity independent of time, this frame rotating around a horizontal axis located in its plane, which creates a field rotating at a frequency also lying in the range of acoustic frequencies.
In this case, it is the rotation of the frame which induces in the mineralizations variable eddy currents that can be detected in a manner similar to that indicated above.
But, calculations show that this method only gives reliable results on condition that the horizontal axis around which the frame rotates is directed towards the observer.
In fact, in the opposite case, it is not possible to deduce from the components of the field at the point of reception, the existence of mineralizations.
We therefore find the drawback mentioned above.
The present invention relates to a prospecting process avoiding the above drawback and providing, in addition, as will be seen below, other advantages.
This method is characterized by the fact that one creates at a transmission station, near the ground a rotating field at audible frequency around a vertical axis and measures at a reception station the quadrature component of the component. vertical or one or the other of two horizontal components of the received field.
The invention also comprises a device for implementing this method. This device is characterized in that it comprises, for the production of the rotating field at the transmitting station, a rotating frame supplied by a direct current or a rotating permanent magnet or a system of two fixed frames perpendicular to each other and supplied by a generator with audible frequency, one directly, the other through a phase shifter.
The appended drawing illustrates, by way of example, several particular implementations of the method according to the invention and represents particular embodiments of the apparatus allowing these implementations.
Fig. 1 is a theoretical diagram.
Figs. 2 and 3 represent a first embodiment.
Fig. 4 illustrates a second embodiment.
As will be seen, the fact that the axis of the frame is vertical provides a simple means of detecting mineralization, by studying the components of the resulting field at the observation point.
Either, fig. 1, a vertical frame shown schematically by a circular turn S of center C, or CN the direction of the normal to the plane of the frame; the observer is at P, the line CP making an angle e with CN.
By reason of symmetry, the magnetic field created in P by the current flowing in the coil S has no component normal to the meridian plane
CPN: the field vector is therefore located in this plane and, as we know, its component Hr along the line CP and its component H * along the line normal to CP and located in the meridian plane respectively have the following values:
H 2k cos µ H3 k sin e
r3 k being a coefficient proportional to the current passing through the frame and r the distance CP (electrostatic and magnetostatic, E. Durand, Masson & Cie 1953, p. 52 to 53); it is assumed, of course, that the medium is homogeneous (absence of mineralization) and that the diameter of the frame is negligible compared to the distance r.
From these expressions, we can calculate the three components of the magnetic field at point P in the absence of mineralization.
The calculation from the formulas of spherical trigonometry shows that the vertical component
Hz has the value: k.
Hz 73 sin cos cos (pk and r being defined above, a being the angle made with the vertical at point P by the line CP and tp being the angle between the horizontal line A contained in the vertical plane passing through PC and the line PR led by P parallel to the normal to the plane of the frame CN, the frame being, as already indicated, in a vertical plane.
The coefficient k is constant since the current passing through the frame does not vary as a function of time, on the other hand the frame rotating with a regular movement around a vertical axis passing through its center, the angle (pa for value (p = out, o) being equal to 2xn, the speed of rotation of the frame being n revolutions per second, t denoting time.
We take as the origin of the times that when the normal to the frame plane is in the vertical plane containing P.
It emerges from these formulas that the vertical component Hz is, in the absence of mineralization, a sinusoidal function of time and that it is in phase with cos (p = cos oust.
On the other hand, the mineralizations create a vertical component of the field which is in quadrature with cos cot.
Note that this conclusion is independent of the value, that is to say of the possible difference in level that may exist between points P and C.
This property is exploited and mineralization is detected by isolating the quadrature component from the vertical component of the field.
To measure this component in quadrature, it suffices to know the instant when the normal to the plane of the frame crosses the vertical plane containing the point of observation P and the point C.
A first means to achieve this result consists in mounting coaxially on the axis of rotation of the frame S, a second dial radiating a directed radioelectric beam.
We know that a high-frequency radioelectric field located in the air is not affected by mineralization, it is therefore sufficient for the observation post P to have a radio receiver which, after detection, provides a sinusoidal current. , the maximum current detected occurring, thanks to a suitable setting, when the normal to the plane of the frame meets the said vertical plane containing the point P.
It is therefore sufficient, at the receiving station to have a coil or a frame with a vertical axis, that is to say in a horizontal plane, to amplify the voltage detected and to send it to a balanced detector also receiving at its input, the cos t voltage supplied by the radio receiver.
In the absence of mineralization, this balanced detector provides virtually zero output voltage, with mineralization resulting in a noticeable output voltage, hence the desired result.
Fig. 2 schematically represents the assembly used at the observation post P.
We see, at 1, the frame located in a horizontal plane and collecting the vertical component of the field, the voltage at its terminals is amplified at 2 and is brought to one of the inputs of the balanced detector 3.
On the other hand, an antenna 4 is sensitive to the high frequency field of the rotating radioelectric beam, the voltage received is amplified at 5 and detected at 6 from where it is conducted to the second input of the balanced detector 3.
This detector of a well-known type, in itself, isolates the quadrature component from the vertical component of the field, component which constitutes the output voltage of the detector and which is supplied to the measuring instrument 7.
A notable deviation of this instrument therefore indicates the existence of mineralization.
Fig. 3 schematically shows the organization of the transmitting station.
We see, wedged on the same vertical axis, two frames 8 and 9, this axis rotates on itself and is driven in rotation by a motor 19 which makes it rotate at an audible frequency. The frame 9 is powered by a direct current supplied by the source 10.
The frame 8 is powered by a radioelectric voltage of constant amplitude supplied by the generator 11. Preferably, the two frames are located in the same plane.
The rotating frame 9 can be replaced by a system of two fixed crossed frames supplied by an audible frequency generator, the current flowing through one of the frames being out of phase by # / 2.
Fig. 4 shows this realization. It includes the radio-electric rotating frame 8 driven by the motor 19 and supplied by the frequency generator 11.
The frame 9 is replaced by a system of two fixed frames 12 and 13 arranged in vertical planes perpendicular to one another.
These frames are supplied by an AC voltage generator 14 at audible frequency, one of the frames being supplied directly, the other through a phase shifter 15 introducing a phase shift of # / 2.
It is known that such an arrangement radiates the same rotating field as the rotary frame 9 of FIG. 3.
In this embodiment, the rotation of the motor 19 should be synchronized with that of the rotating field generated by the currents flowing through the ACs.
dres 12 and 13. For this purpose, the motor 19 is slaved in any suitable way to the generator 14, which is symbolized by the link 16.
Likewise, the rotating frame 8 can be replaced by a system of two fixed cross frames supplied by a radioelectric generator supplying a modulated wave at the frequency of rotation, one directly, the other through a phase shifter introducing a phase shift of # / 2.
In another variant, the frame 9 of FIG. 3 is purely and simply replaced by a permanent magnet of suitable size rotating around a vertical axis perpendicular to its own axis of magnetization.
Finally, it will be noted that the considerations developed above concerning the vertical component, can also be applied to the horizontal component Hl, along the horizontal A, but in this case, it is necessary to orient the vertical frame receiving this component so that its normal is located along the horizontal A of FIG. 1 (horizontal contained in the vertical plane containing CP).
To know this orientation, one can in the field use any suitable topographical method or else a radioelectric method well known in itself, consisting in causing the rotating axis of the frame 8 of FIGS to be driven. 3 or 4, an alternator whose voltage is used to modulate an auxiliary radio wave which is received and detected at the receiver station, the phase difference between the low frequency wave thus received, and the wave at the output of the detector 6 fig. 2, constituting, as one dirty, a measure of the orientation, with respect to a fixed direction (for example the North) of the vertical plane containing CP.
It is even possible to use the horizontal component H2 along the horizontal perpendicular to #, provided that the angle α or close to # / @, 2 which is generally the case (slight difference in level between points P and C).
Indeed, in these cases α is very close to # / 2, and we have very approximately, in the absence of mineralization
H2 ¯ HE = sin ç
r3
It suffices to use a suitably oriented vertical frame (that is to say located in the vertical plane containing CP) and a balanced detector supplied by this frame and by the voltage at the terminals of 6, but after passing it. in a phase shifter which transforms the cos ot voltage into a sin t voltage.
The devices described offer the great advantage of allowing several observers to operate simultaneously from the field radiated by a single transmitter station.