Решение прямых и обратных задач электроразведки методом сопротивлений для сложно-построенных сред

Актуальность темы

.

Электроразведка методом сопротивлений в варианте вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) остается одним из основных геофизических методов при малоглубинных исследованиях. Благодаря высокой информативности метод ВЭЗ успешно применятся для решения разнообразных инженерно-геологических, гидрогеологических, экологических и археологических задач. Сложность решаемых задач непрерывно увеличивается. Новые возможности метода сопротивлений обусловлены как развитием аппаратуры и вычислительной техники, так и появлением новых технологий полевых работ, обработки данных и интерпретации.

В настоящее время на практике используются профильные и площадные наблюдения с высокой плотностью измерения, выполняемые на современной, часто многоканальной, аппаратуре (Griffiths et al. 1990; Barker, 1996; Бобачев и др., 1995,1996). В англоязычной научной литературе даже появился новый термин «2D resistivity», который подчеркивает, что данные, полученные по современным методикам, допускают двумерную интерпретацию. Классические вертикальные электрические зондирования традиционно рассматривались как метод исследования только горизонтально-слоистых моделей и выполнялись по достаточно редкой сети наблюдений.

Появление новых методик наблюдения привело к появлению новых алгоритмов интерпретации, таких как RES2DINV (Loke, Barker, 1994), SENSINV2D (Geotomographie GmbH) и другие. В то же время надо отметить, что существующие технологии интерпретации в рамках двумерных и трехмерных моделей не обеспечивают достаточного уровня учета априорной информации и, соответственно, достоверности получаемых моделей. Поэтому результаты такой инверсии (автоматического решения обратной задачи) можно рассматривать только как некоторые трансформации кажущегося сопротивления.

Математическое моделирование двумерных структур, практический опыт использования новых методик наблюдения и двумерная интерпретация полевых данных помогли обнаружить влияние приповерхностных неоднородностей (геологический шум) и связанные с ними искажения кривых ВЭЗ (В.В. Кусков, А. Г. Яковлев, И.Н. Мо-дин, В. А. Шевнин, Е.В. Перваго). В результате, стали развиваться алгоритмы, которые показывали уровень искажений наблюденных данных и эффективно подавляли эти искажения (Bobachev et al., 1995).

Развитие технологий полевых работ и обработки с фильтрацией геологических помех данных сделало возможным и актуальным создание системы интерпретации данных ВЭЗ в рамках квази-одномерных моделей. Такая система должна использовать преимущества современных технологий и максимально учитывать разнообразную априорную геолого-геофизическую информацию.

Для эффективной интерпретации в рамках двумерных моделей необходимо усовершенствование методов решения прямых задач с целью систематического анализа влияния различных неоднородностей (приповерхностных, глубинных, рельефа земной поверхности) на результаты наблюдений методом ВЭЗ.

Для расширения возможностей применения метода сопротивлений в настоящее время активно внедряется аппаратура, позволяющая использовать бесконтактные методики измерения и возбуждения электрического поля (ЭРА-625, НПО ЭРАOhmmapper, GeometriesCORIM, Iris Instruments). Успешное практическое использование такой аппаратуры требует развития теории расчета стационарного и низкочастотного поля в воздухе и выработки методических рекомендаций по проведению полевых измерений и интерпретации.

Цель работы.

Три основные взаимосвязанные цели работы.

Создание технологии интерпретации данных ВЭЗ в рамках квазислоистых моделей, которая позволяла бы максимально учитывать априорную геолого-геофизическую информацию.

Усовершенствование алгоритмов для расчета и анализа постоянного электрического поля в неоднородных средах.

Развитие теоретического и методического обеспечения низкочастотной бесконтактной электроразведки.

Задачи исследований.

1. Создать систему групповой интерпретации данных ВЭЗ в рамках квазислоистых моделей с максимальным учетом априорных геологических данных.

2. Усовершенствовать метод вторичных зарядов для расчета постоянного электрического поля в неоднородных средах с учетом рельефа земной поверхности.

3. Разработать способы анализа результатов численного моделирования электрического поля.

4. Проанализировать методические погрешности, возникающие при проведении бесконтактных электрических зондирований с незаземленным приемным диполем. Решить задачу расчета стационарного электрического поля в воздухе. Выработать методические рекомендации для уменьшения погрешностей при работах с использованием незаземленного электрического диполя (антенны).

Научная новизна.

1. Разработана и программно реализована система «EPI» для интерактивной (диалоговой) интерпретации в рамках квазислосистых моделей, которая позволяет использовать различные численные и визуальные способы анализа данных и результатов и учитывать априорную геолого-геофизическую информации.

2. Получены и реализованы программно интегральные уравнения для расчета электрического поля с учетом рельефа земной поверхности. Рассмотрено распределение электрического поля для модели насыпи с различным удельным сопротивлением.

3. Разработан способ построения силовых линий электрического поля для анализа результатов численного моделирования.

4. Разработан и реализован программно алгоритм квадратичной аппроксимации плотности вторичных зарядов для повышения точности численного моделирования.

5. Решена задача расчета стационарного электрического поля при наличии в воздухе неоднородностей по диэлектрической проницаемости, если источником поля является заземленный токовый электрод.

6. Показано, как искажения кривых ВЭЗ при бесконтактных зондированиях зависят от типа геоэлектрического разреза.

Практическая ценность работы.

1. Создана система для индустриальной интерпретации профильных данных.

ВЭЗ на ЭВМ.

2. Разработанная автором система интерпретации внедрена в десятках геофизических организациях в России и за рубежом, используется в учебном процессе во многих ВУЗах в России.

3. Разработаны методические рекомендации для полевых измерений по бесконтактным методикам зондирования.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV, XVHI, XIX научной конференции аспирантов и молодых ученых (Москва, 1988, 1991, 1992), на Всесоюзной конференции по геофизическим методам исследования в гидрогеологии и инженерной геологии (Ташкент, 1991), на Международной конференции «Геофизика и современный мир» (Москва, 1993), на Международной конференции по экологии (Дубна, 1995), на Международной геофизической конференции «Электромагнитные исследования с контролируемыми источниками» (Санкт — Петербург, 1996), на Международная конференция «Горная геофизика» (Санкт — Петербург, 1998), на 3-х, 4-х и 5-х геофизических чтений им. Федынского (Москва, 2001, 2002, 2003), на Ежегодной международной конференции «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Воронеж, 1996, Екатеринбург, 1999), на 29-ой сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского (Екатеринбург, 2002), на 3-ем Международном семинаре по магнитным, электрическим и электромагнитным методам в сейсмологии и вулканологии (Москва, 2002) — на зарубежных геофизических конференциях: SAGEEP conference (Орландо и Денвер (США), 1995 и 2001), International Symposium IEEGS (Ченджу, Китай, 1997), 5th EEGS-ES Meeting (Будапешт, 1999), EAGE 61st Conference (Хельсинки, 1999).

Публикации.

Основные положения работы изложены в 20 опубликованных работах, в том числе в учебных пособиях: «Электрическое зондирование геологической среды. Часть 2. Интерпретация и практическое применение» (Москва, 1992) и «Электроразведка методом сопротивлений» (Москва, 1994), а также в книге «Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности» (Москва, 1999). Всего у автора более пятидесяти публикаций.

Диссертация выполнена на кафедре геофизических методов исследования земной коры (геофизики) геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 95 страниц текста, имеет 44 рисунка и список литературы из 93 наименований.

Благодарности.

Автор отдает себе отчет, что его работа появилась в результате плодотворного сотрудничества с сотрудниками кафедры геофизики с коллегами из различных организаций.

Автор глубоко признателен своему научному руководителю, доктору физико-математических наук, профессору В. А. Шевнину за постоянную помощь и поддержку. Автор благодарен руководителю лаборатории малоглубинной электроразведки кафедры геофизики кандидату геолого-минералогических наук, доценту И. Н. Модину за плодотворное сотрудничество, своевременные и полезные советы, здоровую критику и оказанную помощь при выполнении работы.

В создании системы интерпретации IPI также принимали активное участие сотрудники кафедры геофизики А. Г. Яковлев, С. В. Рогова, Е. В. Перваго, А. В. Любчикова, М. Н. Марченко, А. А. Горбунов.

Для автора очень полезными были советы профессора М. Н. Бердичевкого, профессора В. К. Хмелевского, кандидата технических наук Б. Г. Сапожникова (ЛГУ), кандидата физико-математических наук А. Н. Ратушняка (Институт геофизики УрО РАН), кандидата геолого-минералогических наук Золотой Л.А.

§ 14. Выводы к третьей главе.

Для моделей, в которых допустимо пренебрежение электромагнитной индукции, расчеты низкочастотного электрического поля аналогичны решению задачи по расчету стационарного электрического поля.

Расчет стационарного электрического поля в воздухе проводится в два этапа. На первом этапе определяется поле постоянного в проводнике, я затем зная распределение потенциала на поверхности проводника, решается задача электростатики.

Отличительной особенностью электрического поля в воздухе у поверхности земли является то, что оно содержит как горизонтальную, так и вертикальную компоненту. Соотношение между этими компонентами определяет зависимость поля в воздухе от высоты и угла наклона приемной антенны. Оно зависит от геоэлектрического разреза.

Электрическое поле в воздухе у поверхности земли для слабоконтрастных геоэлектрических разрезов близко к полю на поверхности земли. Для высоко контрастных разрезов с проводящим основанием поле в воздухе имеет более сложную структуру. Это приводит к тому, что для неблагоприятных геоэлектрических разрезов интерпретация данных бесконтактной электроразведки возможна только с учетом высоты антенны.

Наиболее удобным индикатором наличия искажения кривой ВЭЗ является зависимость кажущегося сопротивления от угла наклона антенны. Чем слабее эта связь, тем меньше искажающий эффект подъема антенны. В неблагоприятных разрезах изменение угла наклона антенны на первые градусы приводит к изменению измеряемого сигнала в разы.

Содержание третей главы доказывает четвертое защищаемое положение: «Решена задача расчета стационарного электрического поля в среде с неоднородностями по удельному сопротивлению и диэлектрической проницаемости выше и ниже земной поверхности. Даны практические рекомендации по учету влияния неоднородностей при электроразведочных работах с измерением электрического поля в воздухе» .

Заключение

.

По результатам исследований, представленным в диссертационной работе можно сформулировать следующие защищаемые положения:

1. Создана и реализована программно система групповой интерпретации электрических зондирований методом сопротивления на ЭВМ для квазислоистых моделей в автоматическом и диалоговом режимах, с использованием приемов визуализации и учета имеющейся конкретной геолого-геофизической информации.

2. Получены интегральные уравнения для математического моделирования электрического поля в неоднородной среде с учетом рельефа земной поверхности. Показано практическое применение таких уравнений при расчете модели насыпи с различным удельным сопротивлением.

3. Разработан и реализован алгоритм построения линий тока в двумерных задачах электроразведки методом сопротивлений. Такое представление структуры электрического поля позволяет более детально качественно анализировать результаты моделирования при решении практических задач.

4. Решена задача расчета стационарного электрического поля в среде с неоднородно-стями по удельному сопротивлению и диэлектрической проницаемости выше и ниже земной поверхности. Даны практические рекомендации по учету влияния неоднородностей при электроразведочных работах с измерением электрического поля в воздухе.