45. Электроразведка. Физическая сущность и основные методы. Возможности применения метода.

Электрический метод разведки основан на изучении естественных и искусственных электромагнитных полей, возникающих в земной коре под воздействием источников постоянного и переменного тока.

Результаты такого изучения позволяют судить о распределении в земной коре пород с различной электропроводностью. Способность ми­нералов и горных пород проводить электричество является наиболее сильно изменяющимся их физическим свойством, предельные значения которого могут отличаться в 10²⁰ раз для кристаллов и руд и в 10¹⁰ раз для горных пород. Это создает благоприятные предпосылки применения электрического метода разведки. Поле источников постоянного тока яв­ляется более простым. Исследование его, как правило, ограничивается изучением только электрических величин. В поле переменного тока изу­чают как электрическую, так и магнитную составляющие. Поэтому ме­тоды переменного тока называются также электромагнитными.

В связи с возможностью использования широкого диапазона частот, а также различных источников тока — естественных и искусственных — в электроразведке имеется большое число методов и их модификаций. Некоторые модификации электроразведки достаточно сходны между собой. В частности, модификации электромагнитных методов, основанные на применении очень низких частот, практически мало отличаются от соответствующих модификаций электроразведки постоянным током.

Ни в одном из методов геофизической разведки нет такого большого числа модификаций, как в электроразведке.

Основным признаком, по которому могут быть классифицированы эти модификации, является зависимость изучаемого электромагнитного поля от времени (табл. 1).

Естественные электрические поля Земли используют методы есте­ственного поля, теллурических токов и магнитотеллурический. В осталь­ных методах применяют искусственные поля, возбуждаемые при помощи гальванических батарей, аккумуляторов и генераторов электрического тока.

Напряженность электрического поля также быстро убывает с расстоянием.

Затухание электромагнитного поля в однородной среде тем больше, чем выше частота поля.

Степень затухания определяется величиной проводимости среды. Таким образом, электромагнитное поле не затухает в непроводящей среде. Чем меньше удельное электрическое сопротивление среды, тем больше коэффициент затухания. Из приве­денных выше рассуждений следует, что при исследовании больших глу­бин необходимо применять методы низкочастотные и постоянного тока. Высокочастотные методы при наблюдениях на поверхности земли можно использовать лишь для изучения небольших глубин, но при их применении может быть достигнута в некоторых случаях значительно большая деталь­ность исследования. Глубинность высокочастотных модификаций будет наибольшей при изучении кристаллических и метаморфических пород, высокого удельного сопротивления. Осадочные породы, имеющие низкое удельное сопротивление, выгодно изучать при помощи методов, исполь­зующих постоянное и переменное низкочастотные поля. Среди них важное место занимает группа методов, которые носят обобщенное название электромагнитных зондирований.Задача электромагнитных зондирований состоит в определении электрических характеристик и мощностей слоев в среде, состоящей из некоторого числа горизонтально залегающих пластов, ограниченных снизу основанием (пластом неограниченной мощности). Каждый пласт характеризуется следующими параметрами: мощностью, продольным и поперечным электрическим сопротивлением, диэлектри­ческой постоянной. Продольное и поперечное сопротивления разли­чаются вследствие микроструктуры слоистой среды, которая является анизотропной по отношению к электрическому току.

Электромагнитное поле, возбуждаемое в пластах, в общем случае считается переменным. В частном случае при нулевой скорости изменения поля мы имеем дело с зондированием постоянным током. Источник воз­буждения может рассматриваться, как электромагнитный диполь. При искусственном источнике возбуждения (генераторе) это будет либо гори­зонтальный электрический диполь (короткая питающая линия, заземлен­ная двумя электродами), либо вертикальный магнитный диполь (незаземленная горизонтальная рамка). При естественном возбуждении источни­ками поля являются изменяющиеся во времени токи в ионосфере, которые для небольшого участка земной поверхности можно считать прямолиней­ными и бесконечно протяженными, т. е. опять-таки представить их в виде совокупности горизонтальных электрических диполей. Закон изменения силы тока во времени берется либо гармоническим, либо в форме прямоугольного импульса, после выключения которого возникает неустанови­вшееся электромагнитное поле, постепенно спадающее до нуля. Во всех перечисленных случаях можно свести рассмотрение задачи к взаимодей­ствию с изучаемой средой гармонического (синусоидального) электромаг­нитного поля и таким образом иметь дело с квазистационарным электро­магнитным полем.

Исследование такой задачи на поверхности однородного полупростран­ства позволяет сделать следующие выводы: 1) при изучении глубин более нескольких десятков метров достаточно ограничиться квазистационарным приближением, причем электромагнитное поле в этом случае зависит только от удельного сопротивления, но не от диэлектрической постоянной среды; 2) при увеличении расстояния от точки наблюдения до источника тока влияние удельного сопротивления нижнего полупространства воз­растает и достигает максимума в так называемой волновой зоне, где это расстояние превосходит длину волны; 3) горизонтальные компоненты магнитного поля зависят от электрических свойств нижнего полупро­странства, значительно слабее, чем вертикальная составляющая его.

Электрическое поле, наблюдаемое на поверхности, приносит тем большую информацию о глубинных параметрах геоэлектрического разреза, чем меньше его зату­хание на заданной глубине. Следовательно, для проникновения вглубь при электромагнитном зондировании необходимо изменять один из пара­метров, влияющих на величину затухания электрического поля.

Естественные электрические локальные поля на земной поверхности возникают вблизи контактов разнородных горных пород, рудных залежей, водоносных пластов и т. д. Во многих случаях при контактах пород различ­ного состава, особенно рудных тел, со вмещающими породами возникают процессы окисления и восстановления. Одновременно происходит адсорб­ция ионов на поверхностях контактов, а также фильтрация подземных под и диффузия растворов разной минерализации, сопровождающиеся возникновением адсорбционно-фильтрационных потенциалов. Таким обра­зом, физическая природа локальных естественных электрических полей на земной поверхности довольно сложна; в результате изменения обста­новки разность потенциалов на земной поверхности может медленно, но существенно изменяться.

Особенно интенсивными источниками естественного поля являются рудные тела и толщи горных пород, представленные электронными про­водниками.

Основными методами электроразведки являются: метод заряженного тела; метод вызванной поляризации; магнитотеллурический метод; частотное электрическое зондирование; зондирование методом становления электромагнитного поля; низкочастотный индуктивный метод; аэроэлектроразведка; метод индукции; радиоволновой метод электроразведки и другие методы (метод петли, метод эквипотенциальных линий, метод отношения разности потенциалов, метод интенсивности, метод сдвига фаз, метод прямого кабеля, метод изучения токов индуцированных от удалённых гроз, пьезоэлектрический метод).

По кругу решаемых задач методы электроразведки образуют две группы. Методы первой группы, глубинные — вертикальные электрические зондирования, методы теллурических токов, становления и другие — позволяют вести исследование верхних слоев земной коры до глубины нескольких километров. Эту группу методов используют в основном для изучения строения бассейнов, сложенных осадочными породами, главным образом при поисках нефти и газа. Опыт полевых исследований свидетель­ствует, что глубинные методы электроразведки практически дают надеж­ные данные только до глубины 2—3 км. Некоторые полезные качествен­ные данные иногда могут быть получены электрическими методами до глубин 4—5 км, однако в большинстве случаев результаты исследования таких глубин оказываются ненадежными. В то же время необходимо -отметить, возможность применения электромагнитных полей низких частот для изучения очень больших глубин. В настоящее время магнито-теллурические зондирования достаточно успешно используются для сверх­глубинных исследований при изучении физического состояния мантии.

Вторая группа методов электроразведки — индукционные, аэроэлектроразведочные и т. п. — обладает незначительной глубинностью (обычно десятки метров, в лучшем случае несколько сотен метров). Высо­кое удельное сопротивление среды является благоприятным условием для выявления в ней проводящих объектов. Область применения методов второй группы резко отличается от области применения первой группы я в основном сводится к изучению рудоконтролирующих структур и поис­кам рудных тел, характеризующихся повышенной электропроводностью. Электроразведку применяют также при решении гидрогеологических и инженерно-геологических задач. Здесь возможно применение методов обеих групп в зависимости от характера решаемых инженерно-геологиче­ских задач.

Региональное изучение бассейнов осадочных пород. При поисках нефти, газа, угля и других полезных ископаемых в районах развития осадочных пород предварительно необходимо получить сведения об общей мощности осадков, т. е. о глубине залегания консолидированного фундамента, о зако­номерностях размещения литологических фаций осадочных пород и об их тектонике. В решении всех этих вопросов может быть эффективно исполь­зована электроразведка.

Поиски структур в осадочной толще. Электроразведка методом про­филирования, ВЭЗ и дипольного зондирования неоднократно с успехом применялась для поисков в осадочной толще поднятий, благоприятных для образования нефтяных и газовых залежей. Для поисков структур электроразведочным методом необходимо, чтобы породы были электри­чески дифференцированы в вертикальном направлении; в горизонтальном направлении электрические свойства пластов должны быть выдержанными, чтобы характер кривых электрического зондирования позволял провести их надежную количественную интерпретацию; опорные электрические горизонты должны находиться на небольшой глубине, желательно до 1—1,5 км. В этих условиях электроразведка в состоянии оказать сущест­венную помощь при поисках структур в осадочной толще, особенно на первых стадиях изучения новых нефтегазоносных областей, когда усилен­но изучают верхний структурный этаж осадочного бассейна, доступный для технических возможностей электроразведки.

Электроразведка сыграла большую роль в открытии ряда нефтяных месторождений СССР, в том числе в неглубоких отложениях третичных пород Бакинского и Грозненского районов, перми и карбона в Волго-Уральской нефтегазоносной области, мезозоя в Днепровско-Донецкой впадине на Украине и др.

В настоящее время при производстве региональных и поисковых работ на нефть и газ в комплексе с сейсморазведкой успешно применяются методы ВЭЗ, ДЗ, ЗС, магнитотеллурические. Разумное комплексирование электроразведки с сейсморазведкой при поисках структур, благоприят­ных для скопления нефти и газа, следует считать весьма желательным, так как оно удешевляет и ускоряет поисковые работы. Необходимо отметить, что применение электроразведки для детальных работ возможно только в случаях исключительно благо­приятного геоэлектрического разреза, когда его можно считать выдер­жанным двухслойным или, что гораздо труднее для интерпретации, трехслойным. В большинстве случаев для поисков структур предпочти­тельно применять магнитотеллурические методы, в будущем также частотные электромагнитные зондирования.

Для детального изучения структур в осадочной толще электрораз­ведку применяют крайне редко, например, для картирования крутых склонов соляных куполов, определения контуров интрузивных штоков, трассирования сбросов и т. п. С этой целью используют те же методы электроразведки, что и при поисковых работах, однако работы ведутся по гораздо более густой сети наблюдений.