RU2105329C1

RU2105329C1 - Method of man-made electric charge

Info

Publication number: RU2105329C1
Application number: RU96110757/25A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Бобровников
Original assignee: Институт геофизики Уральского отделения РАН
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 1998-02-20

Abstract

FIELD: study of geoelectrical inhomogeneities in the Earth's crust. SUBSTANCE: differences of electric potentials are measured on industrial frequency to trace conductive zones undercut by borehole. EFFECT: enhanced authenticity of method. 1 cl

Description

Изобретение относится и геофизике, а конкретнее - к способам электроразведки, основанным на использовании блуждающих токов промышленной частоты, и может быть применено при поисках проводящих зон в земной коре. The invention relates to geophysics, and more specifically, to methods of electrical exploration based on the use of stray currents of industrial frequency, and can be applied when searching for conductive zones in the earth's crust.

Известен способ геоэлектроразведки (метод электрического заряда [1]). при котором используют скважину, пересекшую зону электропроводящих горных пород, генераторное устройство, соединенное с генераторными электродами, приемное устройство, соединенное с измерительным электродами, и систему параллельных профилей измерений на поверхности земли, причем один из генераторных электродов помещают в скважине - в месте пересечения с зоной проводящих горных пород, а другой относят в бесконечность, один из приемных электродов также относят в бесконечность, а другой перемещают по профилям, измеряя величину электрического потенциала, возникающего при включении тока в цепи генераторных электродов. A known method of geoelectrical exploration (electric charge method [1]). in which a well is used that has crossed the zone of conductive rocks, a generator device connected to the generator electrodes, a receiver connected to the measuring electrodes, and a system of parallel measurement profiles on the earth’s surface, one of the generator electrodes being placed in the well at the intersection with the zone conductive rocks, and the other is carried to infinity, one of the receiving electrodes is also carried to infinity, and the other is moved along the profiles, measuring the amount of electricity potential arising when the current is turned on in the circuit of the generator electrodes.

Способ позволяет устанавливать местоположение проводящих зон даже при существенно неоднородной верхней части разреза, но использование генераторного устройства и длинных линий к электродам, находящимся в бесконечности, существенно осложняет организацию работ. Кроме того, длинные измерительные линии подвержены влиянию электрических помех, способных снизить точность измерений, или вообще сделать невозможным применение этого метода. The method allows you to set the location of the conductive zones even with a substantially heterogeneous upper part of the section, but the use of a generator device and long lines to electrodes located at infinity significantly complicates the organization of work. In addition, long measuring lines are susceptible to electrical noise that can reduce the accuracy of measurements, or even make it impossible to use this method.

Известен другой способ геоэлектроразведки [2], при котором применяют специальный комплект аппаратуры в составе селективного микровольтметра, двухэлектродного датчика напряженности электрического поля и датчика магнитного поля. Аппаратура предназначена для изучения геологического строения территории путем использования электромагнитного поля частотой 50 Гц, создаваемого линиями электропередач. Исследования проводят измеряя в каждом пункте напряженности электрической и магнитной компонент поля как на основной частоте, так и на ее гармониках. Определяют импеданс поля на каждой из частот и рассчитывают величины эффективного сопротивления среды. Анализируя изменения этих сопротивлений в зависимости от местоположения пункта измерений и частоты поля, судят об особенностях геологического строения территории. There is another method of geoelectrical exploration [2], in which a special set of equipment is used as part of a selective microvoltmeter, a two-electrode electric field strength sensor and a magnetic field sensor. The equipment is designed to study the geological structure of the territory by using an electromagnetic field with a frequency of 50 Hz created by power lines. Studies are carried out by measuring at each point the intensity of the electric and magnetic components of the field both at the fundamental frequency and at its harmonics. The field impedance is determined at each frequency and the effective resistance of the medium is calculated. Analyzing the changes in these resistances depending on the location of the measurement point and the field frequency, one judges the features of the geological structure of the territory.

Известен еще один способ, при котором используют электрическое поле блуждающих токов частотой 50 Гц [3], измеряя разности потенциалов на электродах двух электрических диполей заданной длины. Диполи располагают на поверхности изучаемого участка, первый диполь в одном пункте, который называют базисным, а второй диполь перемещают по профилям сети измерений. На базисном пункте изучают временные вариации электрического поля блуждающих токов, а вторым диполем выявляют пространственные аномалии электрического поля. Измеренные на передвижном пункте величины корректируют в зависимости от вариаций на базисном пункте, если эти вариации превышают заданную величину. Строят графики зависимости значений поля от местоположения пунктов измерений. Анализируя эти графики судят об особенностях геологического строения территории. Another method is known, in which an electric field of stray currents with a frequency of 50 Hz is used [3], by measuring the potential differences on the electrodes of two electric dipoles of a given length. Dipoles are located on the surface of the studied area, the first dipole at one point, which is called the base, and the second dipole is moved along the profiles of the measurement network. At the base point, time variations of the electric field of stray currents are studied, and spatial anomalies of the electric field are detected by the second dipole. The values measured at the mobile unit are adjusted depending on the variations at the base unit if these variations exceed a predetermined value. Plot the dependence of the field values on the location of the measurement points. By analyzing these graphs, they judge the features of the geological structure of the territory.

Достоинство этого способа состоит в использовании блуждающих токов промышленной частоты, что обеспечивает возможность картирования горных пород без применения специальных генераторных устройств. Однако, этот способ не позволяет однозначно проследить одну из аномальных зон, представляющую наибольший интерес для исследований, например рудную зону, подсеченную буровой скважиной. Это объясняется тем, что разность потенциалов при неизменной величине измерительного диполя характеризует напряженность электрического поля в пункте измерения, а величина напряженности поля зависит от проводимости пород в этом пункте, и, следовательно, может иметь одинаковые значения в нескольких точках или даже частях площади изучаемой территории. The advantage of this method is the use of stray currents of industrial frequency, which makes it possible to map rocks without the use of special generator devices. However, this method does not allow us to unambiguously trace one of the anomalous zones of greatest interest for research, for example, an ore zone cut by a borehole. This is because the potential difference with a constant measuring dipole characterizes the electric field strength at the point of measurement, and the field strength value depends on the conductivity of the rocks at this point, and therefore can have the same values at several points or even parts of the study area.

Целью предлагаемого изобретения является прослеживание (картирование) отдельной проводящей зоны, обнаруженной на одном из профилей или подсеченной буровой скважиной. The aim of the invention is the tracking (mapping) of a single conductive zone, found on one of the profiles or undercut by a borehole.

Поставленная цель достигается на основе измерения разности электрических потенциалов, создаваемых блуждающими токами промышленной частоты, между двумя электродами, один из которых устанавливают в изучаемую зону, а другой перемещают по профилям наблюдений. This goal is achieved on the basis of measuring the difference in electrical potentials created by stray currents of industrial frequency between two electrodes, one of which is installed in the studied zone, and the other is moved along the observation profiles.

Сущность предлагаемого способа можно пояснить проведя аналогию с методом заряда [1], для этого используем схемы измерительных установок, изображенные на фиг. 1. В методе заряда один из генераторных электродов 1 установлен в скважине, подсекшей изучаемую зону. Этот электрод соединен с одной из выходных клемм генератора тока 2, к другой клемме генератора подключен электрод 3, находящийся в бесконечности. Создаваемый в земле потенциал измеряют электродом 4, перемещая его по профилям. Этот электрод подключают к прибору 5, который соединен еще и с электродом 6, находящимся в бесконечности, величина измеряемого потенциала определяется выражением
U₄= U₁-ΔU_1,4 (1)
где U₄ - потенциал на измерительном электроде;
U₁ - потенциал генераторного электрода;
ΔU_1,4 - разность потенциалов между пунктами расположения электродов 1 и 4.The essence of the proposed method can be explained by drawing an analogy with the charge method [1], for this we use the measuring setups shown in FIG. 1. In the charge method, one of the generator electrodes 1 is installed in a well that has hooked the studied zone. This electrode is connected to one of the output terminals of the current generator 2, an electrode 3 located at infinity is connected to the other terminal of the generator. The potential created in the earth is measured by electrode 4, moving it along the profiles. This electrode is connected to the device 5, which is also connected to the electrode 6, which is at infinity, the value of the measured potential is determined by the expression
U ₄ = U ₁ -ΔU _1,4 (1)
where U ₄ is the potential at the measuring electrode;
U ₁ is the potential of the generator electrode;
ΔU _1,4 is the potential difference between the locations of the electrodes 1 and 4.

В этом выражении U₁ является константой и, следовательно, вся информация об особенностях строения среды заключается в величине ΔU_1,4.In this expression, U ₁ is constant and, therefore, all information about the structural features of the medium is ΔU _1.4 .

Если аномальная зона, подсеченная скважиной имеет какой-то свой собственный небольшой потенциал U_i, не опасный для прибора и исполняющих работы людей, то может быть реализована другая схема измерений, приведенная в нижней части рисунка, где измерительный прибор 8 непосредственно измеряет разность потенциалов между электродом, расположенным в скважине 7 и электродом 9, перемещаемым по профилям измерений. Измеряемая величина может быть описана уравнением, аналогичным (1), которое после преобразования можно записать в виде
ΔU_7,9= U₉-U_i (2)
Поскольку величина U_i не известна, условно ее можно принять равной нулю, что и делается установкой одного из электродов в изучаемой зоне. При этом
ΔU_7,9= K•ΔU_1,4 (3)
где K - некоторый неизвестный масштабный коэффициент.If the anomalous zone, cut by the borehole, has its own small potential U _i , which is not dangerous for the device and people working, then another measurement scheme can be implemented, shown at the bottom of the figure, where the measuring device 8 directly measures the potential difference between the electrode located in the well 7 and the electrode 9, moved along the measurement profiles. The measured value can be described by an equation similar to (1), which after conversion can be written as
ΔU _7.9 = U ₉ -U _i (2)
Since the value of U _{i is} not known, conditionally it can be taken equal to zero, which is done by installing one of the electrodes in the studied zone. Wherein
ΔU _7.9 = K • ΔU _1.4 (3)
where K is some unknown scale factor.

Измерения потенциала в методе заряда [1] используются для построения плана изолиний, который подвергается качественной интерпретации. Изолинии сгущаются в местах больших градиентов сопротивления горных пород и испытывают расширение в направлении простирания проводящей зоны. Аналогичным образом ведут себя и изолинии разности потенциалов ΔU_7,9. Отличие состоит в том, что U₄ (1) стремится к U₁ при приближении к заряженному телу и стремится к 0 при удалении в бесконечность, а величина ΔU_7,9 стремится к 0 при приближении к заряженному телу, но возрастает при удалении имея предел

.The potential measurements in the charge method [1] are used to construct a plan of contours, which undergoes a qualitative interpretation. The contour lines thicken in places of large gradients of rock resistance and experience expansion in the direction of the conductive zone. The isolines of the potential difference ΔU _7.9 behave similarly. The difference is that U ₄ (1) tends to U ₁ when approaching a charged body and tends to 0 when moving to infinity, and ΔU _7.9 tends to 0 when approaching a charged body, but increases with distance having a limit

.

Таким образом, если в известном методе заряда [1] заряженному телу будут соответствовать высокие значения потенциала, то в предлагаемом способе - низкие значения разности потенциалов. Thus, if in the known method of charge [1] the charged body will correspond to high values of the potential, then in the proposed method - low values of the potential difference.

Одной из причин возникновения собственного потенциала у проводящей зоны может быть концентрация в ней блуждающих токов. Если зона представляет собой вытянутую структуру, например разлом земной коры, то ее можно сравнить с электрическим проводом. Рассмотрим механизм переноса потенциала в таком приближении. Если проводящая зона (провод) где-то в удалении имеет контакт, с другой зоной находящийся под некоторым потенциалом (U), то потенциал передается первой зоне. Это означает, что зоне сообщается некоторый заряд (!), поскольку создать электрический потенциал можно только одним способом - внеся электрический заряд (U = q/C) (4). One of the reasons for the emergence of a potential in the conducting zone may be the concentration of stray currents in it. If the zone is an elongated structure, for example, a fracture of the earth's crust, then it can be compared with an electric wire. Let us consider the mechanism of potential transfer in this approximation. If the conductive zone (wire) somewhere in the distance has contact with another zone under a certain potential (U), then the potential is transmitted to the first zone. This means that some charge (!) Is imparted to the zone, since there is only one way to create an electric potential - by introducing an electric charge (U = q / C) (4).

Заряды располагаются на поверхности проводника (на контакте проводящей зоны с вмещающими горными породами). Эти заряды создают во вмещающих зону породах электрическое поле (C в (4) - внешняя емкость проводника). Стационарная плотность зарядов поддерживается током, протекающим по зоне. Установление такого процесса для провода описывается телеграфным уравнением (4). Charges are located on the surface of the conductor (at the contact of the conductive zone with the host rocks). These charges create an electric field in the rocks surrounding the zone (C in (4) is the external capacitance of the conductor). The stationary charge density is maintained by the current flowing through the zone. The establishment of such a process for a wire is described by the telegraph equation (4).

где X - текущая координата по оси, совпадающей с центром провода; C, R, L - приведенные к единице длины емкость, активное сопротивление и индуктивность провода, соответственно; q - плотность электрических зарядов.

where X is the current coordinate along the axis coinciding with the center of the wire; C, R, L - capacitance, resistance and inductance of a wire reduced to a unit of length, respectively; q is the density of electric charges.

Благодаря присутствию зарядов на контакте проводящей зоны с вмещающими породами становится возможной реализация предлагаемого способа, и получения материалов, аналогичных постановке методами заряда. Due to the presence of charges at the contact of the conductive zone with the host rocks, it becomes possible to implement the proposed method and to obtain materials similar to the formulation by charge methods.

Использование техногенного поля позволяет, кроме качественной, получить еще и количественную характеристику разных частей объекта аномалии. Это становится возможным, если в дополнение к измерениям разности электрических потенциалов, измерить еще и напряженность магнитного поля, которая является функцией плотности блуждающих токов. The use of an anthropogenic field allows, in addition to a qualitative one, to obtain a quantitative characteristic of different parts of an anomaly object. This becomes possible if, in addition to measuring the difference in electric potentials, the magnetic field strength, which is a function of the density of stray currents, is also measured.

По измеренным значениям разностей потенциалов строят план изолиний. Изолинии испытывают сгущение, в направлениях увеличения сопротивления пород и разрежение - в направлении простирания проводящей зоны, отмечая наименьшими градиентами центральную часть аномалии. Можно по центру аномальной зоны провести линию, определить величину градиента потенциала вдоль этой линии на любом ее отрезке. Зная градиенты электрического поля и напряженность магнитного поля, можно рассчитать электрическую проводимость на каждом из отрезков оси. Based on the measured values of the potential differences build a plan of contours. The contours experience thickening in the directions of increasing rock resistance and rarefaction - in the direction of the strike of the conductive zone, marking the central part of the anomaly with the smallest gradients. It is possible to draw a line in the center of the anomalous zone, to determine the magnitude of the potential gradient along this line on any of its segments. Knowing the gradients of the electric field and the magnetic field strength, we can calculate the electrical conductivity on each of the segments of the axis.

Пример реализации способа приведен на фиг.2, где в части 1 помещены результаты измерений импеданса по известному способу 2 на трех профилях A, B и C. Цифры на кривых - значения импеданса в О_мах. В части 2 помещен план изолиний измеренных по предлагаемому способу разностей потенциалов ΔU (в милливольтах). Местоположение скважины, в которой располагался нулевой электрод (7 на фиг.1 и 2), указано стрелкой. В части 3 фиг. 2 приведены аналогичные измерения с использованием другой скважины, а под цифрой 4 помещен план профилей этого участка с указанием местоположений аномальных осей, выявленных при измерениях 2 и 3. Здесь же указаны рассчитанные значения проводимости на соответствующих отрезках осей.An example implementation of the method is shown in figure 2, where in part 1 the results of impedance measurements by the known method 2 are placed on three profiles A, B and C. The numbers on the curves are the impedance values in _Ohm . Part 2 contains a plan of isolines measured by the proposed method for the potential differences ΔU (in millivolts). The location of the well in which the zero electrode was located (7 in FIGS. 1 and 2) is indicated by an arrow. In part 3 of FIG. Figure 2 shows similar measurements using another well, and figure 4 contains a plan of the profiles of this section indicating the locations of the anomalous axes identified during measurements 2 and 3. It also shows the calculated values of conductivity on the corresponding segments of the axes.

Проводимости рассчитывали в приближении S плоскости

где S - интегральная проводимость;
Z - импеданс;
H_⊥ - амплитуда горизонтальной компоненты напряженности магнитного поля, измеренная по перпендикуляру к оси аномалии;

- модуль градиента потенциала на отрезке оси аномалии.Conductivity was calculated in the S plane approximation

where S is the integral conductivity;
Z is the impedance;
H _⊥ is the amplitude of the horizontal component of the magnetic field strength, measured perpendicular to the axis of the anomaly;

- modulus of the gradient of the potential on the segment of the axis of the anomaly.

Участок измерений располагался на берегу промышленного отстойника, изучали возможные пути утечки токсичных вод. The measurement site was located on the shore of an industrial sedimentation tank, and the possible paths of toxic water leakage were studied.

Как показывают результаты двух измерений оси аномалий при расположении опорных электродов в близких скважинах не совпадают, это дает основание предположить, что выявлены две разные зоны. Такое предположение согласуется с величинами эффективных проводимостей, которые имеют близкие значения в интервале между профилями A и B, но существенно различаются в интервале между профилями B и C. As the results of two measurements of the axis of the anomalies show when the reference electrodes are located in close wells, they do not coincide, this suggests that two different zones have been identified. This assumption is consistent with the values of effective conductivities, which have close values in the interval between profiles A and B, but differ significantly in the interval between profiles B and C.

По результатам анализа было сделано предположение, что первой скважиной (фиг. 2.2) подсечена карстовая зона, а другой скважиной (фиг. 2.3) - разлом. Понижение проводимости в направлении от профиля A к C может указывать на наличие утечек канцерогенных вод из отстойников (пр. A - расположен на берегу пруда), которые постепенно разубоживаются грунтовыми водами и в результате суммарная проводимость вод снижается. According to the results of the analysis, it was assumed that the karst zone was cut by the first well (Fig. 2.2), and the fault by the other well (Fig. 2.3). A decrease in conductivity in the direction from profile A to C may indicate the presence of leaks of carcinogenic water from sedimentation tanks (pr. A - located on the shore of the pond), which are gradually diluted with groundwater and, as a result, the total conductivity of the water decreases.

Claims

1. The method of technogenic electric charge using a well or profile that has crossed the local zone of abnormal conductivity of rocks, in which the components of the electromagnetic field of industrial frequency are measured using a system of parallel profiles using a measuring device connected to two electrodes, characterized in that one of the electrodes is placed in the well or on the profile at the intersection with the zone of abnormal conductivity of the rocks, and the other electrode is moved along a system of parallel profiles, measuring the potential difference between the second and first electrodes, a map of the distribution of potential differences is constructed and the location of the anomalous conduction zone of rocks is judged by it.

2. The method according to claim 1, characterized in that the map draws lines along the directions of the smallest gradients of the difference in electric potentials, consider these lines as the axes of anomalies, determine the numerical values of the gradients of the electric potential at intervals of the anomaly axis, and on the profiles at the points of intersection with the axes anomalies additionally measure the horizontal component of the magnetic field of industrial frequency in the direction perpendicular to the strike of the axis of the anomaly, using known values of the electric potential gradient iala and magnetic field strength determined effective values of the anomalous conduction abnormalities axes at intervals and these values are judged on the structural features of the anomalous conduction band rocks.