RU2107932C1

RU2107932C1 - Process of geological electric prospecting

Info

Publication number: RU2107932C1
Application number: RU96119884A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Бобровников
Original assignee: Институт геофизики Уральского отделения РАН
Priority date: 1996-10-03
Filing date: 1996-10-03
Publication date: 1998-03-27

Abstract

FIELD: geophysics, determination of positions of linear conductive zones in bowels of the earth during ground measurements. SUBSTANCE: measurements of azimuths and inclination angles of minor and major axes of ellipsoid of polarization of magnetic field of frequency of conducted, direction of radius-vector indicating position of anomalous object is determined and later those sections of the Earth's crust where crowding together of radius-vector takes place drawn from different points of measurement network are isolated. Results of studies are used to evaluate location of linear conductive structures in the Earth's crust. EFFECT: increased authenticity and efficiency of process. 3 dwg

Description

Изобретение относится к геофизике, а более конкретно к способам электроразведки, основанным на изучении электромагнитных полей индустриального происхождения, и может быть использовано при поисках линейных проводящих зон в земной коре. The invention relates to geophysics, and more particularly to methods of electrical exploration based on the study of electromagnetic fields of industrial origin, and can be used in the search for linear conductive zones in the earth's crust.

Известны несколько сходных между собой способов геоэлектроразведки районов с крутоподающими границами раздела пород [1]. Способы основаны на изучении низкочастотного переменного естественного магнитного поля (ПЕМП), порожденного дальними грозами. Измерения ПЕМП производят двумя или тремя скрещенными рамками. В результате измерений определяют углы наклона вектора магнитного поля, по изменениям этих углов вдоль профиля судят об электрических неоднородностях среды в горизонтальном направлении. There are several similar methods for geoelectrical exploration of areas with steep-feeding rock interfaces [1]. The methods are based on the study of a low-frequency variable natural magnetic field (PEMP) generated by distant thunderstorms. PEMP measurements are made with two or three crossed frames. As a result of the measurements, the angles of inclination of the magnetic field vector are determined; judging by the changes in these angles along the profile, the electric inhomogeneities of the medium in the horizontal direction are judged.

Наиболее близок к изобретению один из способов измерения ПЕМП - AFMAG, в котором предполагается, что вблизи вытянутого геоэлектрического проводника магнитное поле имеет направление, перпендикулярное к его простиранию. Для наземных измерений используют две перпендикулярные приемные рамки, сигнал одной из которых служит опорным напряжением, а сигнал другой - измеряемый напряжением фазочувствительного детектора. Сначала, располагая оси рамок в горизонтальной плоскости, находят азимут поляризации магнитного поля, которому соответствует направление оси приемной рамки опорного напряжения при отсутствии сигнала на выходе детектора. Затем оси приемных рамок располагают в вертикальной плоскости, по азимуту поляризации магнитного поля и аналогично находят угол наклона магнитного поля к горизонту. Азимут поляризации и угол наклона служат характеристиками аномального поля. Положение проекции оси источника аномалии на дневную поверхность определяют на плане местности, по точкам перехода через нуль графиков измеренных азимутов поляризации или углов наклона. Closest to the invention, one of the methods for measuring PEMP - AFMAG, in which it is assumed that near the elongated geoelectric conductor, the magnetic field has a direction perpendicular to its strike. For ground-based measurements, two perpendicular receiving frames are used, the signal of one of which serves as a reference voltage, and the signal of the other is measured by the voltage of a phase-sensitive detector. First, locating the axis of the frames in the horizontal plane, the azimuth of polarization of the magnetic field is found, which corresponds to the direction of the axis of the receiving frame of the reference voltage in the absence of a signal at the output of the detector. Then the axes of the receiving frames are placed in a vertical plane, in the azimuth of the polarization of the magnetic field and similarly find the angle of inclination of the magnetic field to the horizon. The polarization azimuth and tilt angle are characteristics of the anomalous field. The position of the projection of the axis of the source of the anomaly on the day surface is determined on the terrain plan, at the points of transition through zero of the graphs of the measured polarization azimuths or tilt angles.

Одним из наиболее существенных ограничивающих факторов способа AFMAG является нестабильность первичного поля, причем не только по интенсивности, но и по характеру его поляризации [2]. Наблюдения показали, что азимут главной оси эллипса поляризации, в некоторых случаях, может меняться до 70 - 90^o за несколько часов. Такие вариации являются несущественными для измерений над однородными горизонтальными средами, так как в этом случае изменение азимута главной оси эллипса поляризации не сопровождается изменением угла наклона плоскости поляризации. Но для измерений вблизи аномальных зон, присутствие которых проявляется возникновением дополнительной комплексной вертикальной компоненты магнитного поля, изменение ориентировки главной оси эллипса поляризации непосредственно отразится и на угле наклона плоскости поляризации, т. е. приведет к искажению основных измеряемых параметров поля. В результате осложняется интерпретация измерений, поскольку смещаются точки перехода через нуль графиков азимута поляризации и угла наклона.One of the most significant limiting factors of the AFMAG method is the instability of the primary field, not only in intensity, but also in the nature of its polarization [2]. Observations showed that the azimuth of the main axis of the polarization ellipse, in some cases, can vary up to 70 - 90 ^o in a few hours. Such variations are insignificant for measurements over homogeneous horizontal media, since in this case, a change in the azimuth of the main axis of the polarization ellipse is not accompanied by a change in the angle of inclination of the plane of polarization. But for measurements near anomalous zones, the presence of which is manifested by the appearance of an additional complex vertical component of the magnetic field, a change in the orientation of the main axis of the polarization ellipse will directly affect the angle of inclination of the polarization plane, i.e., it will lead to a distortion of the main measured field parameters. As a result, the interpretation of measurements is complicated, since the points of transition through zero of the graphs of the polarization azimuth and the slope angle are shifted.

Другим существенным недостатком метода AFMAG является низкая интенсивность естественного переменного магнитного поля, что препятствует его применению при наличии промышленных помех. Another significant drawback of the AFMAG method is the low intensity of the natural alternating magnetic field, which prevents its use in the presence of industrial interference.

Известен также способ поиска хороших проводников по магнитному полю обслуживающих токов частотой 50 Гц [3], при котором по системе параллельных профилей измеряют комплекты магнитного поля в ортогональной системе координат, у которой одна ось (X) направлена вдоль профиля, другая (Y) - поперек профиля, а третья (Z) - по вертикали, дополнительно измеряют угол наклона вектора напряженности к горизонтальной плоскости; вычисляют отношения компонент, строя графики измеренных и вычисленных величин, сравнивают их с известными особенностями геологического строения изученной ранее территории, выбирают наиболее информативные компоненты и отношения и по ним судят о местоположении проводящих зон, при изучении новых территорий. There is also a method of searching for good conductors in a magnetic field of serving currents with a frequency of 50 Hz [3], in which sets of magnetic fields are measured in a system of parallel profiles in an orthogonal coordinate system, in which one axis (X) is directed along the profile and the other (Y) is across profile, and the third (Z) - vertically, additionally measure the angle of inclination of the tension vector to the horizontal plane; compute the relationships of the components, plotting the measured and calculated values, compare them with the known features of the geological structure of the previously studied territory, select the most informative components and relationships and judge the location of the conducting zones when studying new territories.

Существенным достоинством этого способа является использование техногенного поля, но при эллиптической поляризации поля модельные измерения в системе координат с заранее заданными направлениями, а не с ориентацией осей в пространстве приводят к тому, что компоненты поля определяются практически только проекциями вектора главной оси. Напряжения в датчиках, связанные с проекциями малых осей эллипсоида поляризации магнитного поля, при таких измерениях теряются совсем или гораздо меньшей точностью, хотя они также содержат информацию об особенностях распределения проводимости в земной коре. В частности, наименьшая из осей по направлению совпадает с направлением распространения блуждающих токов, что может быть использовано для определения элементов залегания линейных проводящих зон, являющихся зонами концентрации блуждающих токов. An essential advantage of this method is the use of a technogenic field, but with elliptical polarization of the field, model measurements in a coordinate system with predefined directions, and not with the orientation of the axes in space, lead to the fact that the field components are determined almost exclusively by the projections of the main axis vector. The voltages in the sensors associated with the projections of the small axes of the ellipsoid of polarization of the magnetic field during such measurements are completely or much less accurate, although they also contain information about the features of the distribution of conductivity in the earth's crust. In particular, the smallest of the axes in direction coincides with the direction of propagation of stray currents, which can be used to determine the occurrence of linear conductive zones, which are the concentration zones of stray currents.

Цель изобретения - определения местоположения линейных проводящих структур в недрах земли. The purpose of the invention is the location of linear conductive structures in the bowels of the earth.

Поставленная цель достигается измерением азимутов и углов наклона как большой, так и малой осей эллипсоида поляризации магнитного поля блуждающих токов промышленной частоты, определением направленного в нижнее полупространство радиус-вектора, перпендикулярного к плоскости, построенной на измеренных векторах, и последующим выделением участков земной коры, в которых происходит пересечение или сближение радиусов-векторов, проведенных из соседних пунктов измерений. Измерения проводят по сети параллельных профилей. This goal is achieved by measuring the azimuths and inclination angles of both the major and minor axes of the ellipsoid of polarization of the magnetic field of stray currents of industrial frequency, by determining the radius vector directed to the lower half-space perpendicular to the plane built on the measured vectors, and then isolating the parts of the earth's crust in which the intersection or convergence of the radius vectors drawn from neighboring measurement points. Measurements are taken over a network of parallel profiles.

Выделенные участки считают принадлежащими линейным проводящим зонам, направление простирания которых считают соответствующим среднему из измеренных направлений малой оси в тех пунктах, радиусы-векторы из которых указали на присутствие этого линейного проводника. The marked areas are considered to belong to linear conductive zones, the strike direction of which is considered to correspond to the average of the measured directions of the minor axis at those points whose radius vectors indicated the presence of this linear conductor.

Сущность этого способа заключается в том, что плотность блуждающих токов в земной коре распределена не равномерно, а пропорциональна проводимости образующих кору горных пород. Наилучшими являются электронные проводники, например сульфидные руды, но существенное повышение проводимости происходит и в зонах тектонических разломов, за счет резкого увеличения объемного содержания влаги в этих зонах. Следует отметить, что и рудные проявления, как правило, приурочены к разломам. Таким образом, разломы являются важными структурными элементами земной коры. На их картирование нацелено изобретение. Для этого изучают особенности распространения блуждающих токов промышленной частоты. The essence of this method is that the density of stray currents in the earth's crust is not evenly distributed, but proportional to the conductivity of the crust-forming rocks. The best conductors are electronic conductors, for example sulfide ores, but a significant increase in conductivity occurs in tectonic fault zones, due to a sharp increase in the volumetric moisture content in these zones. It should be noted that ore occurrences, as a rule, are confined to faults. Thus, faults are important structural elements of the earth's crust. The invention is aimed at their mapping. To do this, study the propagation features of stray currents of industrial frequency.

Поскольку блуждающие токи порождаются дальними неизвестными источниками, мы можем предположить, что градиент потенциала этих источников в пределах участка достаточно мал, и имеет постоянную величину Δ U . Тога при наличии нескольких проводящих зон токи, возникшие в них, будут связаны с градиентом потенциала соотношениями
ΔU = I₁/G₁= I₂/G₂= ... = I_i/G_i, (1)
где
G_i= S_i/ρ_i - интегральная проводимость зоны;
S_i и ρ_i - ее площадь поперечного сечения и удельное сопротивление соответственно.Since stray currents are generated by distant unknown sources, we can assume that the potential gradient of these sources within the area is quite small and has a constant value Δ U. In the presence of several conducting zones, the currents arising in them will be related to the potential gradient by the relations
ΔU = I ₁ / G ₁ = I ₂ / G ₂ = ... = I _i / G _i , (1)
Where
G _i = S _i / ρ _i is the integrated conductivity of the zone;
S _i and ρ _i are its cross-sectional area and resistivity, respectively.

Удельное сопротивление пород в зоне разлома обычно более чем на порядок понижается по сравнению с сопротивлением вмещающих пород. Наличие рудной минерализации увеличивает это различие на несколько порядков. При таких различиях возможна идеализация - представление проводящих зон как изолированных проводников с током. Магнитное поле такого проводника определяется уравнением

,(2)
где
r - расстояние от центра провода до точки измерения.The resistivity of the rocks in the fault zone is usually more than an order of magnitude lower than the resistance of the host rocks. The presence of ore mineralization increases this difference by several orders of magnitude. With such differences, idealization is possible - the representation of conductive zones as isolated conductors with current. The magnetic field of such a conductor is determined by the equation

, (2)
Where
r is the distance from the center of the wire to the measurement point.

Вектор H направлен по касательной к окружности радиуса r, с центром на оси провода, таким образом он перпендикулярен к проводнику. Но измерения одного этого вектора недостаточно, чтобы указать направление на источник аномалии, поскольку нормалью к одному вектору является плоскость. Vector H is tangent to a circle of radius r, centered on the axis of the wire, so it is perpendicular to the conductor. But measuring this vector alone is not enough to indicate the direction to the source of the anomaly, since the normal to one vector is a plane.

На фиг. 1 изображен линейный проводник, находящийся в нижнем проводящем полупространстве. На поверхности земли - в точке M построен вектор напряженности магнитного поля. На (2), который в присутствии проводящего полупространства становится вектором большой оси эллипса поляризации, поскольку за счет индукционного взаимодействия поля со средой появляется еще одна составляющая магнитного поля H_r. В однородной среде, для изображенной модели, отсутствует только одна компонента магнитного поля - направления параллельно линейному проводнику (H_o на фиг. 1).In FIG. 1 shows a linear conductor located in the lower conductive half-space. On the surface of the earth - at point M, a magnetic field vector is built. On (2), which in the presence of a conducting half-space becomes a vector of the large axis of the polarization ellipse, because due to the induction interaction of the field with the medium, another component of the magnetic field H _r appears. In a homogeneous medium, for the model shown, there is only one component of the magnetic field — directions parallel to the linear conductor (H _o in Fig. 1).

На практике H_o имеет некоторую измеряемую величину, объясняемую влиянием как локальных неоднородностей участка, так и удаленных источников.In practice, H _o has a certain measurable quantity, explained by the influence of both local inhomogeneities of the site and remote sources.

В результате магнитное поле становится трехмерным и характеризуется трехслойным эллипсоидом. Измерение пространственного положения двух осей этого эллипсоида H_a и H_o позволяет построить плоскость, нормалью к которой, проведенная в нижнее полупространство, указывает направление на источник поля (вектор - r - на фиг. 1).As a result, the magnetic field becomes three-dimensional and is characterized by a three-layer ellipsoid. Measurement of the spatial position of the two axes of this ellipsoid H _a and H _o allows you to build a plane, the normal to which, drawn in the lower half-space, indicates the direction to the field source (vector - r - in Fig. 1).

На фиг. 2 приведены примеры математического моделирования реализации способа. Моделью служила бесконечная горизонтальная проводящая полоса с равномерной плотностью тока в ней. Полоса помещена наклонно в нижнее полупространство. Для полосы рассчитывали магнитное поле на поверхности полупространства, а затем определяли направление на источник аномалии в соответствии с предлагаемыми способом. На фиг. 2 показаны результаты таких построений для нескольких углов наклона полосы. In FIG. 2 shows examples of mathematical modeling of the implementation of the method. The model was an infinite horizontal conducting strip with a uniform current density in it. The strip is placed obliquely in the lower half-space. For the strip, the magnetic field on the surface of the half-space was calculated, and then the direction to the source of the anomaly was determined in accordance with the proposed method. In FIG. Figure 2 shows the results of such constructions for several strip tilt angles.

На фиг. 3 помещены результаты полевых работ на сульфидном месторождении. Руды залегают в среднем слое трехслойного разреза. Верхний слой переменной мощности (200 - 400 м) образован серпентинитами (Sp) имеющими кажущееся сопротивление ρ_к≈ 50 Ом•м. Нижний слой представлен углефицированными известняками C, имеющими сопротивление ≈ 200 Ом•м. В этой сложной геоэлектрической обстановке оказались не эффективными такие глубинные методы как ВЭ3, ВЭ3, МПП.In FIG. 3, the results of field work at a sulfide deposit are presented. Ores occur in the middle layer of a three-layer section. The upper layer of variable thickness (200 - 400 m) is formed by serpentinite (Sp) having an apparent resistance of ρ _to ≈ 50 Ohm • m. The lower layer is represented by carbonized limestones C having a resistance of ≈ 200 Ohm • m. In this complex geoelectric situation, such deep methods as VE3, VE3, MPP have proved to be ineffective.

Измерения по предлагаемому способу были выполнены по нескольким профилям. На фиг. 3, a приведен план профиля с направлениями радиусов-векторов и положением аномальных зон в плане. На фиг. 3, б приведены эти же материалы в разрезе. На фиг. 3, в показаны результаты проверочного бурения на этом профиле в разрезе. Рудные подсечения отмечены закраской черного цвета. Measurements by the proposed method were performed on several profiles. In FIG. 3a, a profile plan is shown with directions of radius vectors and the position of anomalous zones in the plan. In FIG. 3b shows the same materials in a section. In FIG. 3c shows the results of test drilling on this profile in section. Ore cuts are marked with black shading.

В заключении по результатам геофизических работ было отмечено, что верхний слой серпентинитов создает помеху за счет блуждающих токов, которые распространяются по этому слою. Влияние этой помехи учесть трудно, поскольку неизвестна плотность тока в слое, но характер искажения поля известен - положение источников аномалии занижение по сравнению с реальным, из-за добавочного горизонтального вектора H_п помехи.In conclusion, according to the results of geophysical studies, it was noted that the upper layer of serpentinite creates a hindrance due to stray currents that propagate along this layer. The influence of this interference is difficult to take into account, since the current density in the layer is unknown, but the nature of the field distortion is known — the position of the anomaly sources is underestimated compared to the real one, due to the additional horizontal vector H _{n of the} interference.

Все результаты прогноза подтвердились для той части профиля, которая была разбурена. All forecast results were confirmed for the part of the profile that was drilled.

Claims

A geoelectrical exploration method using an electromagnetic field created by stray currents of industrial frequency, in which the components of the magnetic field and the angles of the magnetic field vectors are measured using a system of parallel profiles, characterized in that the azimuth and angle of inclination of the major axis vector, as well as azimuth and angle of inclination the minor axis of the ellipsoid of polarization of the magnetic field, according to the measured values for each measurement point, calculate the position in the lower half-space of the radius vector outgoing From the measurement point and directed perpendicular to the plane built on the measured vectors, the regions of the earth's crust are distinguished in which the approach of the radius vectors drawn from the neighboring measurement points occurs, and these regions are considered to belong to linear conductive zones, the direction of extension of each of the zones determined as the arithmetic mean of the azimuths of the directions of the minor axis of the ellipsoid of polarization, measured at those points, the radius vectors of which indicated the presence of this linear conducting her zone of the earth's crust.