NO128130B - - Google Patents

Description

Innretning for bestemmelse av elektriske

felter ved geofysiske undersøkelser.

Oppfinnelsen angår en innretning til bruk ved geofysiske undersøkelser, for bestemmelse av det komplekse, avfrekvente elektriske felt som genereres av en vekselstrøm som fra en bærbar strøm-kilde innmates i jorden via to eller flere elektroder, hvorved spenningsforskjeller i det komplekse elektriske felt bestemmes med hensyn til fase og amplitude ved hjelp av en bærbar måleenhet som er forsynt med en kompenseringsspenningsgenererende anordning og en sammenliknende anordning som er innrettet til å sammenlikne kompenseringsspenningen med den spenningsforskjell som er til stede mellom minst to ytterligere elektroder som er anbragt i jorden.

Innen geofysikken har det i forholdsvis lang tid vært

kjent å utnytte elektriske metoder for geofysiske undersøkelser,

og det er blitt utviklet flere metoder som tar sikte på å bestemme komplekse elektriske felt ved lave frekvenser (0,01 - 10 Hz).

Disse metoder sammenfattes vanligvis under betegnelsen metoder for indusert polarisasjon eller kortere IP-metoder.

Disse metoder grunner seg på det forhold at dersom et elektrisk felt påtrykkes grunnfjellet gjennom elektroder som er ned-ført i marken, oppstår det i grunnfjellet og særlig i'grenses .ik-tene mellom malmmineraler og visse andre mineraler-, oppladninger og utladninger som forårsaker forstyrrelser i det normale elektriske felt. Dersom man påtrykker et tidsvarierende elektrisk felt, f.eks. et vekselfelt fra en vekselstrømgenerator, forårsaker de såkalte IP-effekter at vekselspenningen mellom to punkter i nær-heten a<y> et forstyrrende legeme, f.eks. et malmlegeme, ikke blir-den samme som den skulle ha: vært dersom det forstyrrende legeme ikke var til stede. Spenningen kan derved forandres både med hensyn til amplitude og fase.

I praksis tilveiebringes det nevnte felt ved at en elektrisk strøm fra en strømkilde innmates i grunnfjellet gjennom to: elektroder som nedføres i marken, eller gjennom et elektrodesystem, som kan bestå av et stort antall elektroder. Iblant utnytter man for innmatningen to eller flere såkalte linjeelektroder som kan betraktes som et elektrodesystem med et uendelig antall punktelek-troder.

I praksis studeres vanligvis det frembragte elektriske felt ved at man måler spenningsforskjeller mellom potensialelek-troder som er anbragt i to punkter på jordoverflaten. Vanligvis bestemmes spenningsforskjellene systematisk mellom punktpar som ligger langs en eller flere profiler. Dersom man kombinerer måling av punktpar med punkter i forskjellige profiler, kan et totalt bilde av det elektriske felt i jordplanet oppnås. Dersom det finnes borehull innenfor måleområdet, er det også mulig å oppnå et tredimensjonalt bilde av det elektriske felt, idet man måler spenningsforskjeller mellom punktpar hvor det ene punkt ligger i jordplanet og det andre ligger nede i et borehull. Man kan også måle spenningsforskjeller mellom punktpar som ligger i samme eller i forskjellige borehull. I de sistnevnte tilfeller må selvsagt elektrodene føres ned i borehullene ved hjelp av spesielle anord-ninger .

Ved utøvelse av IP-metoder i praksis støter man på flere vanskeligheter som man forsøker å.overvinne på forskjellige måter, men som ikke er helt fjernet.

Dersom to elektroder nedføres i jordoverflaten 1 to punkter i en viss avstand fra hverandre, foreligger det oftest en spenningsforskjell mellom disse. Denne spenningsforskjell har flere årsaker. En forholdsvis konstant spenningsforskjell som kalles selvpotensial eller SP, kan forårsakes av galvaniske strømmer i om-givelsen av forvitrede malmlegemer, eller også av konsentrasjons-forskjeller i elektrolytter i jordoverflaten. Andre årsaker til spenningsdifferansen er telluriske strømmer, TP, av mer regionalt omfang, og kunstige eller artifisielle jordstrømmer, AP, fra kraft-verksnett, jernbane- og sporveisnett og liknende. De sistnevnte forstyrrelser forårsaker mer eller mindre periodiske vekselspen-ninger eller transienter som overlagres spenningsdifferansene fra det elektriske felt som skal studeres, og de utgjør derfor alvorli-gere forstyrrelsesproblemer enn forstyrrelser fra det mer konstante selvpotensial SP. For å redusere innflytelsen av de ovennevnte forstyrrelseskilder har man forsøkt å øke feltstyrken i det elektriske felt som pålegges grunnfjellet, men denne mulighet er ganske begrenset på grunn av at man da må øke spenningen mellom strøm-elektrodene så meget at måleanordningen blir farlig å behandle.

De forskjellige IP-metoder kan prinsippielt deles opp i to grupper, såkalte pulsmetoder og vekselstrømmetoder.

I pulsmetodene anvendes vanligvis en kommutert like-strøm som reguleres slik at den innmatede strøm står innkoblet en viss tid. Deretter brytes strømmen i et visst tidsintervall, og slås deretter på med omvendtpolaritet i like lang tid som den førstnevnte tidsperiode, og brytes igjen. Dette gjentas regelmes-sig. Ved denne type av målemetoder bestemmes IP-effekten, dvs.

den informasjon som senere ligger til grunn for den geofysiske beregning, ved måling av den mellom måleelektrodene eksisterende spenningsforskjells reduksjon som funksjon av tiden. Således måles de spenningsforskjeller AV som opptrer mellom potensialelektrodene eller måleelektrodene, ved visse tider t-^, t^ > • • etter at strømmen er brutt. Teknisk sett måles i dette tilfelle middelspenningen i forholdsvis korte tidsintervaller (t-^, t-^ + At) ,

(t2/ t2 + At) osv. Overlagrede forstyrrelser av TP- og AP-type kan i denne forbindelse innvirke skadelig på måleresultatene, spe-sielt dersom de inntreffer i de valgte tidsintervaller. En måte

å redusere forstyrrelser fra transienter og forstyrrelser av denne type går ut på å velge større tidsintervall t1# t1 + At, dvs. stør-re At og måle middelspenningen som voltsekunder/sekund, dvs. inte-grale ts

I dette tilfelle blir selvsagt de forskjellige tidsposi-sjoner mindre godt definert. På grunn av forstyrrelsene foreligger det således vesentlige vanskeligheter når det gjelder å bestemme nøyaktig spenningsdifferansens hendøingskurve, hvilket på

sin side medfører stor usikkerhet ved den etterfølgende geofysiske beregning.

Ved anvendelse av vekselstrøm-IP-metoder innmates en vek-selstrøm i jorden gjennom strømelektrodene. For oppnåelse av informasjon om den geologiske situasjon har man her valgt å bestemme fase-forskjellen mellom den inhmatede vekselstrøm og den mellom potensialelektrodene målte veksel3penning, og man har i denne forbindelse gått frem slik at en spenning som er proporsjona med primærstrøm-men og en spenning som er proporsjonal med spenningsforskjellen mellom potensialelektrodene, tilkoples til hvert sitt platepar i Lissajou-figur som dannes på oscilloskopets billedskjerm. Målesystemet må i dette tilfelle være forholdsvis bredbåndet, hvilket medfører stor støyfølsomhet for TP- og AP-forstyrrelser. Ved bestemmelse av fasevinkler ved hjelp av Lissajou-figurer ér det alltid stor usikkerhet i måleresultatet, og en ytterligere ulempe ved denne målemetode er at måleapparaturen blir ganske uegnet for felt-bruk.

Ved andre kjente målemetoder med vekselstrøm-IP-metoder forsterkes den fra potensialelektrodene avfølte spenning, hvorved amplitudene for forskjellige frekvenser sammenliknes innbyrdes. Også ved denne fremgangsmåte blir innvirkningen av såvel periodiske som aperiodiske TP- og AP-forstyrrelser betydelige.

For å oppnå bedre informasjon om det elektriske felt

ved geofysiske målinger, har man tidligere foreslått anvendelse av vekselstrømskompensering, idet den målte spenning bestemmes i fase og amplitude i forhold til den innmatéde vekselstrøm- Ved de kjen^

te innretninger har man derfor anordnet én trådforbindelse mellom strømkilden og måleenheten for overføring av det synkroniserings-signal som kreves for kompenseringsmålingen. Disse trådforbindel-ser er likevel usmidige og upraktiske ved anvendelse i terrenget, og utgjør dessuten en kilde til forstyrrelser X systemet. En ulempe er videre at måleenhet og strømkilde ved disse kjente innretninger må ligge på samme likespenningspotensial, eller utstyres med like-spenningsisolerende organer som kan. påvirke synkroniseringen, spe-sielt dersom målinger ved forskjellige frekvenser skal utføres.

Formålet med oppfinnelsen er således å tilveiebringe en innretning for bestemmelse av det komplekse elektriske felt ved geofysiske undersøkelser med vekselstrøm, ved hvilken de ovennevnte ulemper i stor utstrekning er eliminert.

Det nevnte formål oppnås ved en innretning av den innled-ningsvis angitte type som.ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det for synkronisering av den kompenseringsspenningsgenererende anordning med den innmatéde vekselstrøm finnes en i måleenheten anbragt presisjonsklokke, for eksempel en kvartsoscillator, som på forhånd er blitt synkronisert med den fra strømkilden innmatéde vekselstrøm, slik at den arbeider med en kjent faseforskyvning, fortrinnsvis 0°, i forhold til denne, og at en ytterligere presisjonsklokke, for eksempel en kvartsoscillator, er forbundet med strøm-kilden og på forhånd er synkronisert med den i måleenheten anbragte presisjonsklokke, slik at klokkene arbeider med en kjent innbyrdes faseforskyvning, fortrinnsvis 0°, hvilken ytterligere presisjonsklokke er innrettet til å styre genereringen av vekselstrømmen i strømkilden, og at den kompenseringsspenningsgenererende anordning er konstruert for å generere en varierbar vekselspenning som har samme fase som den innmatéde vekselstrøm, og en varierbar vekselspenning som er 90° faseforskjøvet i forhold til den innmatéde vek-selstrøm, at den kompenseringsspenningsgenererende anordning dessuten er anordnet for å generere en varierbar, kompenserende likespenning, og at den sammenliknende anordning er likespenningskoplet.

Måleenheten er fortrinnsvis forsynt med en indikerende innretning som omfatter en første anordning som bare er følsom for og indikerer et feilsignal i fase med den innmatéde vekselstrøm, en andre anordning som bare er følsom for og indikerer et feilsignal 90° faseforskjøvet i forhold til den innmatéde vekselstrøm, og en tredje anordning som indikerer en likespenningsfeilsignalkomponent.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere i forbindelse med et utførelseseksempel og. under henvisning "til tegnin-gene, der fig..1 er et skjematisk blokkdiagram av- et målesystem""'1' ifølge, oppfinnelsen og fig. 2 et koplingsskjerna av en utførelse av den likespenningskoplede sammenlikningsanordning ifølge fig. 1.

På fig. I er vist en innretning for bestemmelse av komplekse elektriske felter ved geofysiske undersøkelser. Ved hjelp av en strømgenerator 1 innmates eh vekselstrøm I av kjent størrelse via to elektroder eller elektrodesystemer 2, 3 i jorden. Veksel-strømmens frekvens kan velgés innenfor et 'forholdsvis stort fre-kvensområde, men en passende verdi er vanligvis1 ca. 1 Hz. I visse tilfeller kan det for sikrere tolkning 'av. foreliggende geologiske' problemer være fordelaktig å gjøre.gjentatte målinger-med forskjellige frekvenser. Strømgeneratoren 1 styres av en første referanse- - klokke 4.

En måleenhet, generelt betegnet.med 5, er forbundet med to ytterligere elektroder eller elektrodesystemer 6, 7 som også er anbragt i jorden. Stillingsforholdene mellom elektrodene 2, 3, 6, 7 kan varieres etter de rådende forhold på det sted . der under-søkelsen skal utføres. Således kan f.eks. måleelektrodene 6, 7 være anbragt mellom eller .utenfor de strømmatende élek-troder 2, "3, og likeledes kan en eller flere av elektrodene være anbragt under jordoverflaten i borehull eller liknende.

Spenningen V mellom måleelektrodene 6, 7 tilføres en likespenningskoPlet, dvs. direktekoplet sammenlikningsanordning 8. Sammenlikningsanordningen 8 har tre ytterligere innganger 9., 10, 11. Disse er forbundet med den bevegelige kontakt på hvert sitt potensiometer Pl, P2 og P3. Over potensiometerets Pl- ytterklemmer er tilkoplet en likespenningskilde 12 som påtrykker en på forhånd bestemt likespenning over dette potensiometer.

Over pptensiometrenes P2 og P3 ytterklemmer er tilkoplet to funksjonsgeneratorer,13 hhv. 14 . Disse funksjonsgeneratorer styres av en andre referanseklokke 15, slik at det over potensio-meteret P2 påtrykkes en spenning som har samme frekvens som og er i fase med den innmatéde ;vekselstrøm I, og slik at det over potensiome-teret P3.påtrykkes en spenning som har samme frekvens som og er 90° faseforskjøvet i forhold til den innmatéde vekselstrøm I'. Spenningene fra funksjonsgeneratorene 13, 14 og fra likespenningskilden 12 har en på forhånd bestemt amplitude eller størrelse, slik at potensio-metrenesP2, P3 henholdsvis Pl innstillinger alltid tilsvarer en <v*ss >spenningsamplitude, f.eks. ': •

Referanseklokkene 4, 15 "er på forhånd synkronisert slik at de har samme frekvens og fase.. Denne synkronisering må utfø-res méget nøyaktig, dg klokkene 4, 15 må være meget stabile da man ellers ikke oppnår den nødvendige målenøyaktighet. Kvartsoscilla-torer med en maksimal drift på ca. 0,6 milliseki pr. "døgn har i praksis vist seg å. være tilstrekkelige.

Deri for funksjorisgénératorene 13, 14 nødvendige referanse kan også tilveiebringes på annen måte, f.eks. ved hjelp av signal-overføring over radio. Ved signaloverføring over radio opptrer imidlertid alltid en viss usikkerhet i referansesignalet som følge av skiftende mottagningsforhold på forskjellige steder i måleområdet, og dessuten kreves kostbar og upraktisk ekstra utrustning.

For indlkering av utsignalet fra den sammenliknende anordning er anordnet tre detektorer 16, 17 og 17a, 18 og 18a. Detektoren 16 består i sin enkleste utførelse av et likespennings-følsomt viserinstrument og er anordnet for indikering av likespen-ningskomponenten i utsignalet fra sammenlikneren. Detektorene

17, 18 utgjøres av fasefølende detektorer og er forsynt med hvert sitt indikerende; viserinstrument 17a henholdsvis 18a. Detektoren 17 er anordnet for å avføle og indikere den komponent i utsignalet fra den sammenliknende anordning 8 som er i fase med den innmatéde vekselstrøm I. For dette formål er et referansesignal fra funk-sjonsgeneratoren 13 tilkoplet til en referanseinngang 17b på fase-detektoren 17. Detektoren 18 er anordnet for å avføle og indikere den komponent i utsignalet fra den sammenliknende anordning 8 som er 90° faseforskjøvet i forhold til den innmatéde vekselstrøm I, og på liknende måte er her et referansesignal fra funksjonsgenera-toren 14 tilkoplet til en referanseinngang 18b.

På fig. 2 er vist et eksempel på et koplingsskjerna for den likespenningskoplede, sammenliknende anordning 8. En likespenningskoplet forsterker 2 0 er med sitt referansepunkt 21 forbundet med en av måleelektrodene 7. Den andre måleelektrode 6 er over en serie-motstand R4 forbundet med forsterkerens 20 inngang 22. Spenningene fra potensiometrene Pl, P2 og P3 er over sine respektive seriemotstander RI, R2 henholdsvis R3 også forbundet med forsterkerens 20 inngang 22. Forsterkeren 20 forutsettes i denne utførelse å være av en strømfølsom type, slik at alle de signaler som tilføres til inn-gangen 22, adderes. Motstandene. RI - R4 kan velges like, men til passes passende etter forholdene mellom de komponenter som inngår i spenningen V mellom måleelektrodene 6 og 7, slik at spenningene over potensiometrene Pl, P2 og P3, er tilstrekkelige for kompensering av spenningssignalet V, og slik at potensiometerspenningen utnyttes i størst mulig utstrekning.

Med forsterkerens inngang 22 er videre forbundet en yarierbar tilbakekoplingsmotstand R5, hvis andre side er forbundet med forsterkerens 20 utgang 23. Med motstanden R5 kan forsterkerens 20 forsterkningsfaktor varieres. Utsignalet V t fra forsterkeren mates parallelt til de på fig. 1 viste detektorer 16, 17 og 18.

Det er av stor betydning for raskheten og nøyaktigheten i målingen at det benyttes en likespenningskoplet sammenliknings-, anordning. Bare på denne måte kan den mellom måleelektrodene 6, 7 alltid opptredende likespenning indikeres og kompenseres for. Dersom likespenningene i stedet avisoleres ved hjelp av kondensa-torer, vil transienter opptre i målesystemet hvilket forringer systemets målenøyaktighet og raskhet.

Ved en oppmåling av det komplekse felt ved hjelp av måleinnretningen ifølge oppfinnelsen utplasseres innmatningselek-. trodene 2, 3 på passende måte i terrenget. Deretter nedsettes måleelektrodene 6, 7 i jorden eller under jordoverflaten i borehull, ved to punkter mellom hvilke man ønsker å bestemme den komplekse spenning. De to referanseklokker 4, 15 er tidligere blitt synkronisert i fase og frekvens. Når målingen begynner, vil i de fleste tilfeller viserinstrumentene 16, 17a, 18a i detektorene 16, 17, 18 gjøre utslag som følge av at den til forsterkerens 20 inngang 22 matede totalstrøm ikke er lik 0. Potensiometrene Pl, P2 og P3 innstilles deretter slik at viserinstrumentene 16, 17a, 18a nullstilles, dvs. slik at den mellom måleelektrodene 6, 7 opptredende spenning V kompenseres. Under denne innstilling kan forsterkerens 20 forsterkning varieres ved hjelp av motstanden R5,

og i innstillingens sluttfase gis forsterkeren fortrinnsvis en høy forsterkning, slik at den i målingen nødvendige nøyaktighet oppnås.

Etter innstillingen av potensiometrene representerer således stillingen av Pl størrelsen av spenningens V likespen-ningskomponent, og potensiometrenes P2 og P3 stillinger representerer spenningskomponenten som er i fase med henholdsvis spenningskomponenten som er 90° faseforskjøvet i forhold til den innmatéde vekselstrøm I. Dermed er den mellom måleelektrodene 6, 7 opptredende vekselspenning bestemt med hensyn til amplitude og fase. Denne målemetode gjentas deretter med et vilkårlig antall måle-punkter, slik at et tilstrekkelig detaljert bilde av det komplekse elektriske felt oppnås. Dette feltbildé legges siden til grunn for den geofysiske beregning.

Med mål<e>innretni-ngen if01ge oppfinnelsen er det således mulig å oppnå en meget nøyaktig kartlegging av det komplekse elektriske felt som genereres av en i vekselstrøm som inn- , mates i jorden, hvilket er av stor betydning for nøyaktigheten i den etterfølgende beregning og den geologiske tolkning.

For ytterligere å undertrykke forstyrrelser, kan et lav-passfilter koples inn mellom måleelektrodene 6, 7 og forsterkeren 20. Dette filter må da være avpasset slik at det gir en konstant og kjent fasedreining for de aktuelle målefrekvenser. Videre kan viserinstrumentene 16, 17a, 18a utskiftes med innstillingsmotorer som får virke tilbake på potensiometrene Pl, P2 og P3, slik. at kom-penseringsforløpet blir automatisk. Ved en utførelse av oppfinnelsen kan også analog/digital-kompensering utnyttes, dvs. potensio-meteret og tilhørende seriemotstander utskiftes med en gruppe mot-stander som koples inn under styring av signalene etter detektorene. Den innkoplede motstand kan derved angis ved hjelp av en siffer-visende anordning eller liknende.

Claims (2)

1. Innretning til bruk ved geofysiske undersøkelser, for bestemmelse av det komplekse, lavfrekvente elektriske felt som genereres av en vekselstrøm som fra en bærbar strømkilde (1) innmates i jorden via to eller flere elektroder (2, 3), hvorved spenningsforskjeller i det komplekse elektriske felt bestemmes med hensyn til fase og amplitude ved hjelp av en bærbar måleenhet (5) som er forsynt med en kompenseringsspenningsgenererende anordning (12 - 14, Pl - P3) og en sammenliknende anordning (8) som er innrettet til å sammenlikne kompenseringsspenningen med den spenningsforskjell som er til stede mellom minst to ytterligere elektroder (6, 7) som er anbragt i jorden, karakterisert ved at det for synkronisering av den kompenseringsspenningsgenererende anordning med

den innmatéde vekselstrøm finnes en i måleenheten (5) anbragt pre-, sisjonsklokke (15), for eksempel en kvartoscillator, som på forhånd er blitt synkronisert med den fra strømkilden (1) innmatéde veksel-strøm, slik at den arbeider med en kjent faseforskyvning, fortrinnsvis 0°, i forhold til denne, og at en ytterligere presisjonsklokke (4), for eksempel en kvartsoscillator, er forbundet med strømkilden og på forhånd er. synkronisert med den i måleenheten anbragte pre-sis jonsklokke (15), slik at klokkene arbeider med en kjent innbyrdes faseforskyvning, fortrinnsvis 0°, hvilken ytterligere presisjonsklokke (4) er innrettet til å styre genereringen av vekselstrømmen i strømkilden (1), og at den kompenseringsspenningsgenererende anordning (12 - 14, Pl - P3) er konstruert for å generere en varierbar vekselspenning som har samme fase som den innmatéde vekselstrøm, og en varierbar vekselspenning som er 90° faseforskjøvet i forhold til den'innmatéde vekselstrøm, hvorved disse spenninger har samme frekvens som nevnte vekselstrøm, at den kompenseringsspenningsgenererende anordning dessuten er anordnet for å generere en varierbar, kompenserende likespenning, og at den sammenliknende anordning (8) er likespenningskoplet.

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at måleenheten (5) er forsynt med en indikerende innretning (16 - 18) som omfatter en første anordning (17) som bare er følsom for og indikerer et feilsignal i fase med den innmatéde vekselstrøm, en andre anordning (18) som bare er følsom for og indikerer et feilsignal som er 90° faseforskjøvet i forhold til den innmatéde veksel-strøm, samt en tredje anordning (16) som indikerer en likespenningsfeilsignalkomponent.