Переменные электромагнитные поля.

К естесственным переменным электромагнитным полям относят региональные квазигармонические низкочастотные поля космической (их называют магнитотеллурическими) и атмосферной природы.

Магнитотеллурические поля.

Происхождение магнитотеллурических полей объясняют непостоянством солнечной радиации – воздействием на ионосферу Земли потока заряженных частиц (солнечного ветра), посылаемых Солнцем. Этот поток, ориентированный геомагнитным полем, нарушает магнитное равновесие ионосферы. От удара солнечных корпускул по ионосфере образуются ударные волны, которые взаимодействуют с токовыми поверхностями ионосферы. В результате ионосферные источники начинают излучать электромагнитные волны, которые проникают и в геологическую среду. Периодические (одиннадцатилетние, годовые, суточные) вариации геомагнитного поля и магнитные бури вызывают соответствующие изменения этого излучения – магнитотеллурического поля. В целом это поле инфранизкой частоты (от 10^-5 до 10 Гц), а на таких частотах затухание поля (скин-эффект) проявляется слабо и потому магнитотеллурические поля проникают в Землю до глубин в десятки и даже первые сотни километров.

В магнитотеллурическом поле выделяют электрическую компоненту Е, связанную с теллурическими (земными) токами и магнитную компоненту Н, связанную с вариациями магнитного поля. Регистрация электрической составляющей осуществляется через пару заземленных электродов или диполей М и N, разнесенных на несколько десятков или сотен метров. К электродам через усилитель подключается электроразведочный осциллограф (регистрация) и производится автоматически направленная запись изменения естественных потенциалов в течение нескольких суток, называемая теллурограммой. Магнитную компоненту записывают с помощью чувствительного магнитометра.

Анализ теллурограмм заключается в выявлении колебаний повторяющейся формы с периодами Т от долей секунды до нескольких минут и даже часов (бухты).

Измеряемыми параметрами магнитотеллурического поля являются электрические Е_х (регистрация вдоль линии профиля зондирования) и Е_y (перпендикулярно профилю) и магнитные (Н_х и Н_y) компоненты поля и периоды выявленных вариаций.

Значения параметров зависят, с одной стороны, от интенсивности вариаций теллурического и геомагнитного полей, а с другой стороны – от удельного электрического сопротивления пород разреза. По измеренным взаимно перпендикулярным электрическим и магнитным составляющим (электрическая и магнитная составляющие единого электромагнитного поля сдвинуты по фазе на 90º) можно рассчитать сопротивление однородного полупространства (нормальное поле) с помощью специальной формулы, полученной в теории электроразведки

Здесь – Т период колебаний, - волновое сопротивление (или входной импеданс) среды Z, а – коэффициент пропорциональности, равный 0.2, если Т измерено в секундах, Е_х – в мВ/км, Н_y – в нТл. Таким образом, можно вычислить и удельное сопротивление ρ_т и построить кривую МТЗ – зависимость ρ_т от периода вариаций (или частоты), выявляемых по теллурограммам. Поскольку период определяет глубину проникновения поля в Землю, по такой кривой можно будет оценить строение геоэлектрического разреза, выделив в нем комплексы высокого и низкого сопротивления, соотносимые при наличии соответствующей геолого-геофизической информации (данные бурения, ГИС, сейсморазведка) с терригенными, карбонатными, кристаллическими и иными образованиями. Так как короткопериодные вариации характеризуют верхние горизонты разреза, а длиннопериодные проникают на большие глубины, данными МТЗ можно охарактеризовать всю толщу Земной коры и даже подкоровую верхнемантийную толщу.

Другой модификацией магнито-теллурического метода является магнито-теллурическое профилирование. При профилировании строится зависимость ρ_т от х (вдоль профиля наблюдений) для выбранной вариации с фиксированным периодом Т. Тем самым удается выявить вертикальные или круто наклоненные неоднородности разреза в определенном интервале глубин. Более подробно на методике профилирований мы остановимся позднее.

 

Поля грозовой природы.

Происхождение естественных переменных полей атмосферной природы связано с грозовой активностью. Под воздействием гроз в Земле существует слабое грозовое поле, называемое шумовым. Оно представлено периодически повторяющимися импульсами (дугами) синусоидальной формы с преобладающими частотами от 10 Гц до 10 кГц и напряженностью электрической составляющей до долей милливольт на метр.

Измеряемыми параметрами атмосферных токов являются различные составляющие Е_ср и Н_ср, которые используются в методах переменного естественного электрического и магнитного поля (ПЕЭП и ПЕМП).

Лекция 8. Методы искусственно создаваемых электрических полей.

 

Постоянный ток.

Искусственные электрические поля постоянного тока создают с помощью батарей (аккумуляторов, генераторов), которые подключают соединительным проводом к электродам - заземлителям и пропускают через них ток силой I. Эти электроды называют питающими, или токовыми. Пара других электродов – заземлителей М и N (измерительных или приемных) служит для измерения разности потенциалов Δ U с помощью потенциометра (милливольтметра).

Свойства возбуждаемого поля характеризуется через потенциал U, который не зависит от времени t и является только функцией координат x, y, z, то есть рассматриваемое поле является стационарным (смысл потенциала уже обсуждался выше). Скалярная функция U связана с напряженностью поля Е соотношением Е = , причем r – это расстояние от начала координат до точки, где определяется U, напряженность – вектор, его компоненты по координатным осям обозначаются E_x, E_y, E_z.

Основной закон, определяющий величину тока, протекающего через проводник (горную породу) – закон Ома

J = , где U₁ и U₂ значения потенциала на концах проводника, а R – его сопротивление R=ρ и, соответственно, ΔU = JR= Jρ

Здесь l – длина проводника в м, S – площадь его поперечного сечения в м², а ρ – удельное сопротивление, измеряемое в Омах, умноженных на метр (Ом·м). Величина, обратная ρ называется удельной электрической проводимостью и измеряется в Сименсах

 

Наряду с силой тока, одной из характеристик поля является плотность тока j

Это так называемая дифференциальная форма записи закона Ома, устанавливающая пропорциональность плотности тока в проводнике напряженности поля. Эта форма записи может быть применена к проводникам любой формы и к переменным электромагнитным полям. Поле постоянного электрического тока в однородном полупространстве (ρ = const) называют нормальным электрическим полем постоянного тока.

Рассмотрим нормальное поле точечного источника. Получить такое поле, пропуская ток через пару электродов А и В можно, относя второй электрод в бесконечность и анализируя ситуацию в окрестности А. В однородной среде ток от точечного источника стекает во все стороны равномерно. Эквипотенциальные поверхности (поверхности равного потенциала) перпендикулярны к радиальным токовым линиям и имеют форму полусфер с центром в точке А (рис.22)

 

 

Рис.22.Нормальное поле одного (а) и двух разнополярных (б) точечных электродов

1 – токовые линии; 2 – эквипотенциальные поверхности.

Определим значение потенциала U_м в точке М.

Вначале оценим величину разности потенциалов между двумя близкими эквипотенциальными поверхностями радиусов r и r+dr. Начало координат поместим в точку А. Согласно закону Ома

Здесь dr – длина проводника - в данном случае расстояние между соседними полусферами, S - это поверхность полусферы, то есть 2πr², где r – радиус полусферы. Поскольку рассматриваются две полусферы, отстоящие друг от друга на dr – правильнее всего выбрать радиус равным r + dr/2 – то есть выбрать некий «средний» радиус близких полусфер

Тогда dV=

 

Приближенное равенство основано на том, что бесконечно малая dr и при возведении в квадрат и при умножении на конечную величину r дает в результате столь малые «добавки» к r², что ими вполне можно пренебречь.

Для нахождения U_м придется просуммировать согласно определению потенциала все dV от бесконечности до r, то есть проинтегрировать приведенное выражение, сложив тем самым приращения потенциала dV всех подобных рассмотренному тонких слоев, вынеся постоянные – силу тока в источнике, удельное сопротивление среды и 2π – за знак интеграла

 

Исходя из этого, напряженность поля в М

А плотность тока

Получив основные характеристики нормального поля точечного электрода обратимся к рассмотрению реальной ситуации, когда поле создано с помощью пары электродов АВ (рис.22б), а регистрация осуществляется парой МN. Тогда разность потенциалов

 

 

Обозначив расстояние АМ через r₁ и AN через r₂ можем, учитывая симметрию четырехэлектродной установки AMNB относительно центра 0, записать

 

Учитывая, что r₂ – r₁ равно расстоянию MN

, обозначив π через k,

откуда , а .

k – это коэффициент, характеризующий геометрию расстановки.

Вполне понятно, что если среда однородная, то есть ρ = const, мы будем получать одно и то же значение ρ при любых k, то есть при любых расстояниях АМ и AN.

Однако, в неоднородной среде ρ будет существенно зависеть от k. Эта зависимость обусловлено тем, что плотность тока определяется величиной «разноса» питающих электродов АВ и с увеличением АВ эта относительная плотность с глубиной возрастает, поскольку возрастает и глубина проникновения поля в Землю. Сказанное хорошо видно из рассмотрения такого примера (рис.23).

Пусть мы имеем толщу слоев с разным сопротивлением.

 

Рис.23.Зависимость глубины проникновения электрического поля в слоистую среду от величины разноса питающих электродов АВ.

 

При малом разносе АВ токовые линии практически целиком размещаются в слое с сопротивлением ρ₁. При большем разносе А₁В₁ поле сосредоточено большей частью в слое ρ₂, здесь плотность тока, отображаемая густотой силовых линий будет наибольшей. С увеличением А₁В₁ до А₂В₂ вычисляемое по приведенной формуле ρ будет уже ближе всего к ρ₃ и т.п.

В теории электроразведки показано, что отношение тока на глубине h к плотности на поверхности зависит от расстояния между электродами L и при увеличении L эта относительная плотность с глубиной h возрастает по закону

Все сказанное позволяет уяснить идею зондирования среды постоянным током, состоящую в том, что осуществляя серию измерений ΔV_MN с разными все возрастающими АВ, мы получаем последовательность значений ρ, характеризующих электрическое сопротивление все более глубоких интервалов геоэлектрического разреза. Такое зондирование называют вертикальным электрическим зондированием ВЭЗ. Помимо ВЭЗ используют другие модификации рассматриваемого метода сопротивлений – ДЭЗ (дипольное электрическое зондирование), ЭП (электропрофилирование) и другие. Во всех этих модификациях основная задача – определение электрической характеристики среды – удельного электрического сопротивления ρ. Однако, что это за ρ? Это в общем случае не ρ₁, не ρ₂ и не ρ₃, а некое ρ_к – кажущееся сопротивление, зависящее от k (то есть от геометрии 4^хэлектродной установки ABMN - от расстояний АВ и MN.), помимо зависимости от этих реальных ρ₁, ρ₂ и от толщин слоев геоэлектрического разреза. Таким образом, ρ_к можно определить как удельное электрическое сопротивление такой воображаемой однородной среды, в которой при тех же АВ и MN и при той же силе питающего тока в цепи АВ регистрируется та же разность потенциалов ΔV_MN, что и в среде неоднородной. То есть ρ_к это сложная функция, зависящая от характеристик реального геоэлектрического разреза и от геометрии расстановки

Самое замечательное состоит в том, что в ряде случаев ρ_к может оказаться как угодно близким к истинным значениям ρ_1, ρ₂ и т.д. Но это будет показано несколько позже. А пока остановимся на рассмотрении упомянутых модификаций и сделаем это несколько подробнее, чем по ранее представленным методам электроразведки. Но прежде одно замечание, которое должно прояснить читателю, почему и теория методов сопротивлений на постоянном токе и практика их применения разъясняются гораздо обстоятельней, чем это делалось ранее в разделах, посвященных МТЗ и пр.. Дело в том, что эти методы занимают особое место среди других методов электроразведки и геофизики в целом. Во-первых, с методики ВЭЗ и каротажа КС (кажущихся сопротивлений) началась в первой трети двадцатого столетия разведочная геофизика как таковая. Во-вторых, эти методики используются в современной геофизике чаще, чем какой-либо другой метод практически во всех разновидностях полевой геофизики (инженерная, рудная, гидрогеологическая, техническая, археологическая и пр.), за исключением нефтегазовой, хотя история нефтегазовой геофизики тоже ведет свой отсчет именно с этих методик.

 

Наиболее популярны две разновидности метода сопротивлений: ВЭЗ и электропрофилирование. Для электроразведочных методов вообще характерно такое подразделение - зондирование и профилирование. Зондирования предназначены, главным образом, для исследования горизонтально-слоистых сред, представляющих, в основном, осадочные толщи, а профилирование – для выявления вертикальных или крутонаклоненных неоднородностей, свойственных разрезам с блоковой тектоникой. Сочетание зондирований с профилированием позволяет получить всестороннее объемное представление о строении объектов самой разной природы.

 

Электропрофилирование.

 

Сущность электропрофилирования заключается в следующем. С учетом эмпирического соотношения глубины h проникновения тока в среду (она зависит от проводимости пород разреза) с величиной питающего разноса АВ: h = ÷ АВ -подбирается такая величина разноса, которая гарантирует достижение необходимой глубины исследования.

Выбранный разнос АВ сохраняется неизменным и эта расстановка АMNВ перемещается вдоль профиля наблюдений. Измерения производятся через определенный интервал, который мотивируется масштабом съемки и геологической задачей. Обработка результатов наблюдений состоит в вычислении ρ_к в каждой точке наблюдений и в построении графика зависимости ρ_к(х). Примеры геологической результативности электропрофилирования покажем на моделях 1 и 2 (рис.24).

 

Рис.24. Кривые электрического профилирования ρ_к (х).

 

Модель 1. представляет ситуацию, в которой требуется определить плановое положение скрытого под наносами вертикального контакта пород низкого сопротивления ρ₁ (осадочная толща) и высокого сопротивления ρ₂ (массив кристаллических пород, прорывающих осадочные).

Пусть ρ₁ ≈ 20 Ом·м; ρ₂ = 80 Ом·м; О₁, О₂ и т.д. - точки, в которых располагаются последовательно центры четырехэлектродной установки AMNВ, с чьей помощью проводятся наблюдения (рис.24а)

Пусть толщина наносов, скрывающая положение контакта, составляет 30м. Тогда, выбрав АВ = 80м и размещая последовательно центры электроразведочной установки в точках О₁, О₂ и т.д. с шагом 50-100 м, мы получим кривую ρ_к, примерный вид которой показан на рис.23. Вполне понятно, что пока установка находится далеко слева от зоны контакта, значения ρ_{к .} будут близки к ρ₁, напротив, если установка размещена в области больших пикетов О (О₇ и далее) ρ_к станет как угодно близкой к ρ_{2 .} В самой приконтактной зоне залегания ρ_к будет резко изменяться, пока не приблизится к ρ₂ .

Модель 2 иллюстрирует ситуацию с вертикальными дайками пород высокого сопротивления (рис.24б). Характер полученной кривой можно объяснить, рассуждая таким же образом, как в примере с моделью 1.

Нередко возникают такие геологические ситуации, которые требуют контроля за электрической неоднородностью двух или нескольких уровней разреза. Тогда используют так называемые комбинированные установки, например АА'МNB'B. С такой установкой для каждой точки наблюдений О используют два различных разноса питающих электродов АВ и А₁В_{1 .} При этом вычисляются значения ρ_к, характеризующие два разных интервала глубин. Примером может послужить ситуация, изображенная на модели 3 (рис.24в).

Здесь показан разрез с высокоамплитудными антиклинальной и синклинальной складками, сложенными известняками относительно высокого сопротивления (~150 Ом·м) и терригенной толщей небольшого сопротивления (<50 Ом·м). Видно, что использование больших разносов приведет к пропуску приповерхностной синклинальной формы при правильном воспроизведении особенностей конфигурации глубинного известнякового пласта. В то же время, установка с малым разносом А₁В₁ позволяет выявить пропущенный объект, но не дает адекватного представления о структуре погруженного известнякового пласта.

Если вертикальные неоднородности высокого сопротивления выявляются методикой электропрофилирования достаточно контрастно, то наоборот, проводящие тела небольшого размера отмечаются на кривых ρ_к довольно слабыми пологими минимумами. Поэтому для их выявления используют так называемое комбинированное профилирование. Рассмотрим пример его применения на модели 4, где изображено проводящее вертикальное тело, перекрытое толщей наносов (рис.25).

Схема AMNB реализуется через удаленный электрод С и идет поочередно по схеме AMNC и BMNC так, что на каждой расстановке получают два значения ρ_к : ρ_к^А , когда ток пропускают через А и С и ρ_к^В (через В и С) – рис.25а

Вдали от проводящего тела над однородной средой ρ_к будут одинаковыми и для установки AMN∞ (ρ_к^А) и для BMN∞(ρ_к^В). Однако, когда установка приближается к проводящему телу, равенство нарушается. Когда установка находится слева, ток стремится к С через тело и плотность тока I возрастает в области MN при пропускании его через А₁ и уменьшается при пропускании его через В₁. Когда установка находится справа – ситуация обратная (рис.25б). Чем больше плотность тока, тем больше ΔV и, следовательно, ρ_к.

Таким образом, слева от тела появится максимум на кривой ρ_к^А, а справа - на кривой ρ_к^В. Наличие проводящего тела будет отмечено точкой пересечения кривых ρ_к с выраженными особыми точками - максимумами и минимумами, тогда как при обычном симметричном профилировании отмечается только слабый минимум (рис. 25в).

 

 

Рис.25.Комбинированное профилирование.

 

На участках сложного геоэлектрического разреза с неоднородными условиями заземления электродов используют еще одну модификацию электропрофилирования – метод срединных градиентов с малыми базами MN. Приемная установка MN при этом перемещается вдоль АВ в центральной части, равной 1/3 АВ. Об этой методике и других вариациях профилирования можно прочитать в учебниках по электроразведке, приведенных в списке литературы. Сходны с электропрофилированием по методу сопротивлений на постоянном токе методики магнитотеллурического профилирования и профилирования с использованием искусственно возбуждаемых переменных электрических полей. Там также строятся зависимости ρ_к (Х) при выбранном неизменном значении параметра, контролирующего глубину проникновения поля в Землю – периода вариации, частоты, времени становления и т.п. Однако, все эти профилирования не дублируют друг друга – каждое имеет свое предназначение, решает разные задачи, исследует разные интервалы глубин.

Методика ВЭЗ.

Это наиболее важная и востребованная модификации метода сопротивлений, ориентированная, как уже говорилось, на изучение горизонтально-слоистых сред.

Сущность ВЭЗ заключается в том, что центр установки О остается на месте, тогда как разнос АВ меняется, то есть меняется глубина зондирования разреза постоянным током и освещается не один-два интервала глубин, а весь разрез. Максимальное расстояние АВ называется величиной зондирования. Начинается оно с малых разносов. Далее разнос увеличивают, но не равномерно, а с все более возрастающими интервалами, например в такой последовательности (в метрах):

2; 5; 10;20; 50;100; 500 и т.д.

Условия успешного применения метода:

угол наклона границ раздела не должен превышать 10-15º;

залегание слоев – согласное;

в разрезе имеется толща слоев, сильно отличающихся по сопротивлению от перекрывающих пород, называемая опорным горизонтом.

Опорный горизонт должен характеризоваться повсеместным распространением, отображать основные структурные особенности разреза и иметь достаточную мощность для того, чтобы его можно было уверенно выявить по кривой ρ_к (кривой ВЭЗ). Если зондирование проводится на большую глубину, то местность должна быть подходящей для больших разносов.

По вычисленным для каждого разноса АВ значениям ρ_к строят кривую ВЭЗ на специальных билогарифмических бланках с масштабным модулем М=6,25 см. Вообще электроразведочные построения обычно осуществляют в логарифмическом масштабе, поскольку диапазон изменения ρ_к для горных пород (от нуля до бесконечности) в линейном масштабе отобразить практически невозможно. Для вычисления ρ_к используется уже приводившаяся формула

Измерение силы тока и разности потенциалов могут проводиться с помощью простых приборов, с которыми студент сможет ознакомиться при прохождении учебной геофизической практики.

Кривые ВЭЗ

Рассмотрим, как выглядят кривые ВЭЗ для различных моделей слоистых сред. Кривые изображают в горизонтальной или вертикальной композиции. Воспользуемся последним способом. Так легче провести аналогию с геологическим разрезом.

Двухслойная модель.

Представим себе, что скважина вскрыла такой разрез: терригенная толща 1 имеет мощность h₁ и сопротивление ρ₁. остальную часть нижнего полупространства занимает карбонатная толща 2 с сопротивлением ρ₂, причем ρ₂»ρ₁. ρ и h здесь являются параметрами геоэлектрического разреза, который для рассматриваемых моделей будем представлять в виде пачки плоскопараллельных слоев-пластин, каждая из которых характеризуется своими ρ_i и h_i при горизонтальном залегании.

Кривая строится в системе координат ρ_к = , так как это вероятная глубина проникновения тока в Землю. Горизонтальная пунктирная линия на графике ρ_к = соответствует глубине залегания границы раздела сред 1 и 2, а вертикальные прямые отвечают истинным значениям ρ₁ и ρ₂ соответственно. Задача построения кривой ВЭЗ - при заданных параметрах разреза это, как мы уже знаем, прямая задача и по существу речь в настоящем разделе идет о решении прямой задачи электроразведки методом ВЭЗ. Для уяснения вопроса о том, какой должна быть форма кривой ВЭЗ над модельным разрезом, воспользуемся таким же способом рассуждения, который применяли, обсуждая методику электропрофилирования.

При небольших разносах АВ и, следовательно, концентрации поля в верхних горизонтах разреза значения ρ_к будут практически неотличимы от ρ₁. Напротив, при очень больших АВ величина ρ_к вплотную приблизится к ρ₂. Когда разносы окажутся такими, что наибольшей плотностью тока будут характеризоваться приграничные интервалы разреза, значения ρ_к будут наиболее значимо меняться, возрастая от ρ₁ к ρ₂ и кривая примет вид, показанный на рис.26а, причем точка перегиба кривой будет проектироваться как раз на границы между двумя контактирующими толщами.

Рассмотрим, как будет меняться кривая ВЭЗ при изменении параметров геоэлектрического разреза ρ и h. Если увеличивать ρ₂, оставляя неизменными ρ₁ и h₁, можно наблюдать изменение формы кривой при сохранении местоположения точки перегиба. Изменение формы будет определяться тем, что выход ρ_к на асимптоту ρ₂ будет постоянно сдвигаться в сторону больших значений, то есть вправо. Так будет продолжаться до тех пор, пока значения ρ_к не приблизятся к практической бесконечности, то есть не превысят n·1000 Ом·м. По достижении таких величин кривая ВЭЗ вырождается в прямую, идущую под углом 45º. Такое вырождение является знаковым показателем ограничения глубинности исследований разреза: постоянный ток не проходит в высокоомный горизонт и точка перегиба кривой диагностирует таким образом гипсометрию опорного горизонта.

 

 

а

Рис.26.Двухслойные кривые ВЭЗ.

 

При обратном соотношении ρ₁ и ρ₂ (ρ₁>ρ₂) будет наблюдаться и обратный рисунок кривых ВЭЗ, но выхода кривой на прямолинейную асимптоту здесь уже не будет, так как не может быть бесконечно уменьшена величина ρ₂, которая никак не может оказаться меньше нуля (рис.26 б). Поскольку в рассматриваемом случае радикального изменения формы кривой (то есть вырождения ее в прямую) не наблюдается, можно говорить о том, что высокоомные опорные горизонты на кривых ВЭЗ выделяются контрастнее низкоомных. Если изменить местоположение границы h, оставляя неизменным соотношение сопротивлений ρ₁ и ρ₂,будет наблюдаться иная картина: форма кривой ВЭЗ меняться не будет, но местоположение точки перегиба кривой ВЭЗ будет перемещаться вслед за перемещением границы h раздела пластов – кривая как бы сдвигается параллельно самой себе (рис.26в). Таким образом, можно констатировать, что кривая ВЭЗ «откликается» на любое изменение параметров геоэлектрического разреза ρ и h либо изменением своей формы, либо перемещением точки перегиба кривой.

Рис.27.Палетка двухслойных кривых ВЭЗ.

 

Существуют специальные палетки таких теоретических кривых, рассчитанных для различных соотношений h и ρ, которые используются в последующей интерпретации результатов ВЭЗ (рис27).

 

Посмотрим далее, как выглядят трехслойные кривые ВЭЗ (рис.28). Для трехслойной модели можно предусмотреть четыре различных сочетания значений ρ.

ρ₁>ρ₂<ρ₃ (H)

ρ₁<ρ₂<ρ₃ (A)

ρ₁>ρ₂>ρ₃ (Q)

ρ₁<ρ₂>ρ₃ (K)

Каждое из этих сочетаний определяет тип получаемой кривой ВЭЗ. Этот тип помечается буквенным индексом, показанным в скобках.

Начнем с кривых H и A, где последняя толща характеризуется высоким сопротивлением. Трехслойную кривую будем как бы составлять из двух двухслойных, соединяя их общей огибающей. В итоге получается кривая, на которой промежуточная толща отмечается минимумом. По аналогии с уже рассмотренными вариациями параметров геоэлектрического разреза получим выходы кривой на прямолинейную асимптоту при стремлении ρ₃→∞. Для трехслойной модели так же можно показать другие преобразования формы кривой при изменении ρ₁ и ρ₂. Не трудно, например, увидеть, что промежуточный пласт будет тем лучше выделяться на кривой, чем больше его мощность и может вообще «выпасть» (исчезнет минимум), если толщина его окажется слишком малой. Учитывая, что кривая строится в логарифмическом масштабе, можно понять, что чем «глубже» кривая, тем эта толщина должна быть больше для того, чтобы минимум появился: для верхних (до 10м) горизонтов разреза это единицы метров, в интервале от 10 до 100 – десятки, за сто – сотни метров и т.д.

На кривой типа А промежуточного минимума быть не может, так как сопротивление горизонтов с глубиной нарастает монотонно. Здесь второй пласт будет выделяться зонами градиентных переходов(Рис.28)

Рис.28.Трехслойные кривые ВЭЗ.

Эти переходы тем контрастнее, чем больше разница сопротивлений контактирующих сред и чем значительнее толщина промежуточного слоя. Высокоомный опорный горизонт так же, как и в предыдущем случае, будет отмечен вырождением кривой в прямую с ростом ρ₃. Кривые K и Q обнаруживают обратный рассмотренным характер (рис.28б) и в отношении контрастности их выделения можно сделать те же самые выводы. Ясно, что значение ρ_к промежуточного пласта будет тем ближе к истинному значению ρ_{к ,} чем больше его толщина. На рассмотренных примерах вновь можно убедиться в том, что любое изменение параметров геоэлектрического разреза контролируется формой кривой ВЭЗ и местоположением точек перегиба. Для трехслойных моделей также рассчитаны теоретические кривые применительно к разным сочетаниям h и ρ, обозначенные в альбоме палеток. Для моделей с большей слойностью нетрудно построить свои кривые, используя разные композиции двух и трехслойных кривых.

Интерпретация кривых затруднена сильным проявлением эквивалентности. Она заключается в том, что по кривым для промежуточного пласта могут быть определены не ρ и h в отдельности, а только так называемая продольная проводимость S_i = h_i/ρ_i для кривых Н и А (поскольку для таких сред ток «отжимается» непроводящей толщей ρ₃ и течет вдоль ее поверхности) или поперечное сопротивление T_i = h_iρ_i для моделей K и Q (поскольку в этом случае ток течет поперек напластования, стремясь попасть в проводящую толщу ρ₃). Отсюда следует, что при определенном сочетании h_i и ρ_i, когда S или Т не меняется, форма кривой также остается неизменной.

Прежде чем перейти к рассмотрению вопросов интерпретации кривых ВЭЗ, приведем пример многослойной кривой (рис.29).

Рис.29.Пятислойная кривая ВЭЗ.

 

То, что по этой кривой можно выделить в разрезе 5 геоэлектрических слоев различного состава и толщины, не означает, к сожалению, что этот разрез и на самом деле таков. Если нашу установку AMNB поставить вертикально и опустить в скважину с тем, чтобы провести в реальном масштабе глубин регистрацию ρ_k с определенным интервалом наблюдения, то на такой скважинной (каротажной) кривой можно будет выделить в зависимости от выбранного разноса десятки различных слоев. То есть разрешающая способность полевого ВЭЗ, определяемая и сложным характером зависимости ρ_k от соотношения сопротивлений и мощностей множества пластов, и использованием логарифмического масштаба изображений, несопоставима с возможностями скважинных исследований. Тем не менее, наиболее существенные крупные комплексы проводящих и непроводящих пород глубинного разреза и достаточно тонкие слои верхней его части выделяются на кривых ВЭЗ достаточно уверенно. Таким образом, становится понятным как определить геологическую природу отмеченных особенностей рельефа кривых. Определить геологическую природу аномалий – максимумов, минимумов и участков, ограниченных резкими градиентными изгибами кривой – это значит поставить им в соответствие тот или иной комплекс пород разреза. Это можно сделать с достаточной надежностью, если в распоряжении исследователя есть результаты бурения или, в худшем случае, сейсморазведки. И, конечно, тогда, когда интерпретатор имеет достаточно четкое представление об электрических свойствах горных пород. Как уже отмечалось выше, важнейшим таким свойством является удельное электрическое сопротивление (или обратная ему величина-проводимость). Сопротивление пород изменяется в очень широких пределах: от 10^-5 до 10¹⁵ Ом·м, то есть практически от 0 до ∞. Зависит величина сопротивления от минерального состава, физико-механических и водных свойств пород, а также от температуры, глубин залегания, степени метаморфизма и пр.

Удельное электрическое сопротивление минералов определяется характером их внутренних кристаллических связей. Так, минералам диэлектрикам (кварц, слюды полевые шпаты и др.) с преимущественно ковалентными связями присущи очень высокие сопротивления (10¹²-10¹⁵Ом·м). Минералы полупроводники (карбонаты, сульфаты, галоиды и др.) имеют ионные связи и отличаются высокими сопротивлениями (10⁴ - 10⁸ Ом·м). Глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и др.) обладают ионно-ковалентными связями и характеризуются относительно низким сопротивлением (ρ<50 Ом·м). Рудные минералы (самородные, сульфиды, некоторые оксиды) с электронной проводимостью очень хорошо проводят ток (ρ<5 Ом·м). Первые две группы минералов составляют «жесткий» скелет большинства горных пород. Глинистые минералы создают «пластичный» скелет. «Пластичные» минералы способны адсорбировать «связанную воду» с достаточно постоянной минерализацией и хорошей проводимостью и поэтому сопрот