Успешное решение задач, поставленных ХХУ1 съездом КПСС по развитию прогрессивных видов геофизических исследований недр, усилению поисков и разведки месторождений подземных вод, руд черных и цветных металлов, бокситов, угля, нефти и газа и др., невозможно без развития электромагнитных методов разведки. Совершенствование изучения электромагнитных свойств пород переменными полями привело к появлению новых геологически эффективных и производительных методов геофизической разведки, таких как зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ), метод переходных процессов (МПП). Широкое применение методов ЗСБ и МПП обусловлено их повышенной глубинностью и разрешающей способностью при индукционном возбуждении и регистрации полей становления. Эти особенности способствовали появлению очень перспективных высокопроизводительных аэровариантов МПП. С точки зрения физических’принципов возбуждения и регистрации полей становления метод ЗСБ тождественен МПП. Они различаются только областями применения, различие выражается в степени использования информации, содержащейся в кривой регистрируемого переходного процесса. Метод ЗСБ как структурный метод требует более детальной регистрации переходного процесса на большем временном диапазоне и в эгом смысле включает в себя МПП. Поэтому можно говорить об этих методах как об одном, придерживаясь в качестве единого исторически сложившегося названия — МПП. В рамках, ставшей классической, теории становления поля, разработанной А. Н. Тихоновым и С. М. Шейнманном, не учитывается влияние токов смещения на становление поля. Такое пренебрежение оказалось вполне правомерным при практическом изучении методом ЗС большинства горных пород. Однако практика работ ЗСБ, МПП совмещенными (однопеглевыми) установками выявила надежно зарегистрированные переходные процессы, имеющие переходы через нулевые значения и в последующем отрицательные спады. Появление таких процессов Р. Б. Журавлева, Г. В.Ас-траханцев, И. Э. Гаврилова, Р. В. Улитин (УНЦ АН СССР) и ряд зарубежных авторов (Моррисон, Ли и др.) впервые объяснили теоретически особенностью переходных процессов для однородного поляризующегося полупространства. Тем самым впервые было показано наличие влияния поляризуемости. среды на .становление поля. Таким образом была принципиально поставлена задача учета влияния поляризуемости горных пород на процесс становления поля. Аналогичные выводы были получены позже З. П .Губатенко и В. В. Тикшаевым (ЕВШИГТ), которым удалось показать, что над любой недисперги-рующей средой переходные процессы в совмещенных установках должны иметь строго монотонный спад. Изменение знака процесса может быть вызвано только влиянием поляризуемости среды. Таким образом прояснилась особая роль совмещенных установок при выявлении отрицательных переходных процессов, гак как простым способом, по нарушению монотонности спада, удается выявить влияние поляризуемости. Регистрация сотрудниками ВНИИГИС под руководством одного из авторов метода ЗОБ З. А. Сидорова (ВНШГИС) еще более сдожных типов переходных процессов с двойной сменой знака процесса вблизи месторождений алмазов в Якутии поставила задачу объяснения особенностей переходных процессов влиянием ЗП. й.А.Сидоровым был предложен приближенный способ оценки влияния ВП при индукционном возбуждении (ВПИ) в осесиммегричном с генераторным контуром разрезе. Численные способы исправления искажений полевых кривых, впервые примененные З. А. Сидоровым для интерпретации замеченных им совместно с А. Д. Скурихиным отрицательных процессов в 1963 г., способствовали пониманию отрицательного спада как аддитивного слагаемого к индукционному процессу. Успешное решение этой задачи позволило автору совместно с В. А. Сидоровым распространить эти приближения для оценки всего процесса. Особо важное значение имеют работы А. З. Куликова, Е. А. Шемякина (ВНИИГеофизика) в формировании феноменологического подхода к описанию поляризующейся среды на основе модели двухфазной. твердо-жидкой среды, названной С. М. Шейнманном — автором модели и теории ЗП — ДФ-средой. Работы А. А. Рыжова (ВСЕ-ГИНГЕО) в этом направлении способствовали углублению понимания связей временных и частотных характеристик поляризующихся сред, а также их зависимость от электрохимии процессов, эти исследователи не только обратили особое внимание на необходимость описания поляризующихся объектов с помощью переходной характеристики ВП, но и доказали путем взаимных пересчетов по формулам связи между переходной и частотными характеристиками, тождественность изучения этой характеристики изучению частотной зависимости удельной электропроводности ДФ-среды. Одновременно были получены и широко применяемые ныне для оценок аналитические выражения для обобщенных переходных характеристик ВЦ. Дальнейшее развитие получили эти представления в работах З. В. Кормильцева (УНЦ АН СССР) при описании процессов вызванной поляризации в. уравнениях электродинамики. Однако в целом при изучении индукционных.: процессов в поляризующихся средах сложился традиционный подход на основе рассмотрения удельной электропроводности как комплексной величины, зависящей от частоты поляризующего поля. При этом выявились различные подходы к определению понятия удельного сопротивления поляризующейся среды, что оказалось связанным с онтологическими представлениями о процессах ЗП.
Применение различными авторами традиционного подхода к изучению влияния поляризуемости на индукционные переходные процессы позволило объяснить один тип отрицательных переходных процессов на основе рассмотрения следующих простейших моделей поляризующихся сред: однородное полупространство (Р.Б.Журавлева, Г. З.Аст-раханцев, И. Э. Гаврилова, Р. З. Улитин, С. М. Шейнманн, Г. А. Исаев, Н. Г. Полетаева, 3.В.Кормильцев, А. В. Куликов, Е. А. Шемякин, А. А. Рыжов, Ф. М. Каменецкий, З. М. Тимофеев, Ли и др.), проводящая плоскость (С, М. Шейнманн, Г. А. Исаев, Н. Г. Полетаева, и. др., шар. (Ли. и др.) и проводящая и поляризующаяся петля (Грапт, Зест и др.).
Практически не рассмотрены модели слоистых и радиально неоднородных.разрезов. В основном это объясняется сложностью решения задачи традиционным способом, так как рассмотрение каждой модели вырастает в решение самостоятельной задачи, как правило, численно с привлечением Э34. Такое палегочное представление результатов чрезвычайно затрудняет извлечение новых закономерностей, позволяющих определить необходимые подходы к методике работ и интерпретации материалов в таких сложных условиях.
Поэтому разработка более простых аналитических способов теоретического изучения влияния вызванной поляризации (ВП) на индукционные переходные процессы (ИПП) и соответствующее совершенствование методики полевых исследований методами ЗСБ и МПП составляют важную научно-техническую задачу.
Целью диссертационной работы является: а) Получить аналитический способ изучения закономерностей влияния вызванной поляризации на индукционные переходные процессы и расширить круг рассматриваемых моделей электропроводности среды на основе приближенного теоретического рассмотрения этих процессов во временной области. б) Разработать методику полевых исследований неустановившегося поля и приемы интерпретации материалов, получаемых при изучении разрезов, слагаемых проводящими и поляризующимися горными породами.
Основные задачи исследований:
— установить связь между плотностью возбужденных в среде вихревых токов, полем индукционного становления, полем HI и характеристикой ее временного спада в проводящей поляризующейся среде, — на основе приближенного способа оценки, влияния ЗП при. индукционном возбуждении .(ЗПИ), предложенного З. А. Сидоровым,.получить расчетные формулы для переходных процессов в осесимметрич-ной с источником проводящей поляризующейся среде,.
— рассчитать и проанализировать вертикальные и радиальные характеристики ЗПИ осесимметричных. установок и оценить возможность использо-вания эффекта ВПИ в геофизической разведке,.
— рассчитать переходные процессы для различных моделей сред и приемно-генераторных установок, провести сопоставление результатов с выводами, вытекающими из известных решений, и данными экспериментов,.
— разработать методику разделения (усиления — ослабления) индукционного и поляризационного эффектов применительно к конкретным полевым исследованиям ЗСБ, МПП и соответствующие способы интерпретации.
Решение этих задач привело к следующим новым научным результатам:
I. Впервые показано, что главная часть ЗПИ в. первом приближении представляет собой аддитивный вклад в суммарный переходный процесс над проводящей поляризующейся средой.- это приближение получено для поздних стадий индукционного переходного процесса, затухающего значительно быстрее, чем возбужцаемый им поляризационный процесс.
2. Решение задачи для ЗПИ во временной области позволило использовать различные временные характеристики ЗП (теоретические и экспериментальные), при этом из приближенной теории следует, что в однородной среде спад ЗПИ во времени определяется второй производной характеристики временного спада ЗП.
3. Путем расчета вертикальных и радиальных характеристик применяемых в ЗОБ и МПП установок показано, что процессы ЗПИ охватывают объемы среды, размеры которых превышают размеры установки в плане и на глубину. Тем самым обоснована целесообразность использования ЗПИ в электроразведке.
4. Показано, что зависимость ЗПИ от. изменения размеров установки Е отличается от таковой для процесса индукционного становления, как I/R, т. е. с уменьшением размера установки относительное влияние ЗПИ возрастает... .
5. Показано, что зависимость ЗПИ от изменения электропроводности отличается от таковой для процесса индукционного становления, как I/n/61, т. е. влияние ЗПИ наибсщее сильно проявляется в условиях высокоомного разреза.
6. Предложена и обоснована методика многоразмерных зондирований (МРЗ), позволяющая на основе установленных закономерностей (п.4) разделять регистрируемые переходные процессы на индукционную и поляризационную части в пределах указанных выше ограничений (п.1).
7. Обоснован способ интерпретации поляризационной части переходного процесса для горизонтально-слоистого разреза путем наложения теоретических и экспериментальных данных, трансформированных в эффективные значения т.н. «металл-фактора» .
8. Расчетным путем получены оценки сигнала ЗПИ дл" я локальных проводящих поляризующихся объектов (шар, полуограниченный и.
1U ограниченный вертикальный цилиндр, кольцо прямоугольного сечения).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Переходный процесс для проводящей и поляризующейся среды в первом приближении представляет собой алгебраическую сумму процессов индукционного становления в той же среде без учета поляризуемости и индукционно возбувдаемой вызванной поляризации ШИ. Это приближение справедливо для поздней стадии индукционного переходного процесса, затухающего значительно быстрее, чем возбуждаемый, им поляризационный процесс.
2. ВПИявляется интегральным эффектом, обусловленным влиянием больших объемов среды. Рассчитанные для различных установок вертикальные и радиальные характеристики показывают, что размеры среды, затронутой процессами ВПИ, превышают размеры установки в плане и на глубину, это’является основанием целесообразности использования ВПИ в электроразведке.
3. Зависимость ЗПИ от изменения размеров установки и электропроводности среды отличается от таковой для процесса индукционного становления как l/s и I/VсГ, соответственно. Это означает, что влияние ВПИ наиболее сильно проявляется в условиях высокоом-ного разреза и увеличивается с уменьшением размера установки.
П. Проведением много размерных зондирований (МРЗ) однопетле-выми (совмещенными) установками ЗОБ и МПП возможно разделение регистрируемых процессов на индукционные и поляризационные части, что обеспечивает возможность совместного изучения электропроводности и поляризуемости среды.
Работа выполнена в 1977;ISS4 гг. во Всесоюзном научно-исследовательском и проекгно-консгрукторском институте геофизических исследований геологоразведочных сквашн и (на завершающем этапе) на кафедре общих геофизических методов Московского геологоразведочного института имени Серго Орджоникидзе, к которой автор был прикреплен в качестве соискателя, а затем — заочного аспиранта.
В своих исследованиях автор опирался на достижения теории и практики в области изучения и применения неустановившихся электромагнитных полей в электроразведке. Сюда относятся фундаментальные и прикладные работы Тихонова А. Н., Шейнманна С. М.,. Заньяна Л. Л., Каменецкого Ф. М ., Якубовского.Ю.В., Тимофеева З. М., Мака го нова П.П., Сидорова В. А., Губатенко В. П., Тикшаева В .В., Исаева Г. А., Рабиновича Б. И., Морозовой Г. М., Табаровского Л. А., Великина А. Б., Булгакова Ю. И., Шерешевского С. Н., Плюснина М. И., Вильге Б. И. и других советских ученых.
Большую роль в формировании феноменологического подхода к описанию процессов Ш в режимах постоянного и, гармонического'полей сыграли фундаментальные работы Комарова З. А., Шейнманна С. М., Бумагина О. В., Аладинского-Ю.В., Бобровникова Л. З., Карасева А. П., Кормильцева.3.В., Куликова.А.В., Попова З. А., Рыжова А. А.,.Сейфу длина Р.С., Царапанова II. Н., Шемякина Е. А., Черняка Г. Я., Диа-са, Сигала и других.
Необходимость изучения влияния вызванной поляризации на индукционные переходные процессы стимулировали результаты измерений «отрицательных» .переходных процессов, полученные на Южном.. Урале Сидоровым З. А. и Скурихиным А. Д. (1964 г.), Родионовым А. Н. и Виноградовым A.M. (1973 г.) и другими геофизиками в различных районах страны. Особую роль сыграли наблюдения аналогичных и более сложных процессов, выполненные сотрудниками ВШИГйС, под руководством В. А. Сидорова, и ИГФЭ в Якутии.
Принципиальный подход к объяснению отрицательных переходных процессов влиянием поляризационных свойств среды содержится в работе Куравлевой Р. Б., Таврило вой И.3. (1974 г.). Более детальному изучению этого явления посвящены последующе работы Астра-ханцева Г. В., Улитина Р. В., Журавлевой Р. Б., Куликова А. В., Шемякина Е. А., Сидорова В. А., Щейнманна СЛ., Исаева Г. А., Полетаевой Н. Г., Каменецкого Ф. М., Тимофеева В. М., Рыжова А. А., а также зарубежных исследователей Моррисона, Ли, Вайдельта и других.
Автору хочется выделить теоретические работы Губагенко В. П. о закономерностях становления электромагнитного поля для одно-петлевой (совмещенной) установки ЗСБ и МПП, которые определили особую роль этой установки в выявлении «отрицательных» и более сложных переходных процессов.
Неоценимую помощь оказал автору доктор геолого-минералогических наук Сидоров В.А.в формировании задач исследований и выборе способов их решения. Обсуждения результатов полевых измерений и выводов теории создали творческую атмосферу, позволившую автору получить новые результаты. Автор сердечно благодарен Сидорову В. А. за эту предоставленную ему возможность, а также за терпеливое отношение, постоянное внимание и помощь в работе, на всем протяжении выполнения которой В. А. Сидоров являлся ее научным консультантом.
Автор выражает искреннюю признательносгь своему научному руководителю, доктору технических наук Каменецкому Ф. М. за поддержку автора в его научной позиции и целенаправленное, эффективное руководство в завершающей стадии выполнения исследований.
Автор выражает также искреннюю признательность кандидату геолого-минералогических наук Рыжову А. А. за постоянное доброжелательное внимание к его работе и своим коллегам по ВНИИГИС за помощь в выполнении исследований и оформлении работы.
I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И РАЗРАБОТКА ОСНОВ ПРИБЛИЖЕННЫХ СПОСОБОВ ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ П0ЛЯШЗУЕМ0СТИ СРЕДЫ НА ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ (ИПП).
Основные результаты работ обсуждались на различных региональных совещаниях и семинарах в научных (СНИИГГИМС и др.), производственных (КГФэ, ПГО «Якутскгеология» и др.) организациях и вузах (МГРИ, БГУ и др.).
По теме диссертации опубликовано 9 работ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Новые типы переходных процессов ЗСБрегистрируемые в рудных, нефтяных, гидрогеологических районах могут быть объяснены влиянием поляризуемости пород, в которых возбуждаются индукци-онно вихревые токи. Причинами появления полей ВПИ являются поля становления. Наличие различных новых типов процессов, надежно зарегистрированных в полевых условиях, объясняются размерами генераторного контура, особенностями геометрии среды, соотногоени—я'ми между поляризуемостями, переходными характеристиками ВП и удельными электропроводностями пород. В практике измерений ЗСБ был известен только один новый тип процессов — с переходом через нулевое значение и отрицательным спадом. Существующие точные решения и приближения объясняли только такую возможность при небольших значениях поляризуемости. Опыт работы методом ЗСБ совмещенными установками расширил возможные новые типы переходных процессов, например, надежно зарегистрированы переходные процессы с двойной сменой знака процесса. Кроме того, сотрудниками ВНИ’ЛГИС зарегистрированы при наличии переходных характеристик ВП для оценки вреиенного спада ВПИ большие значения поляризуе-мостей (до 100 $) мерзлых осадочных пород на сверхранних временах.
Разработанные приближенные способы оценки переходных процессов для поляризующихся сред позволили создать достаточно универсальный, приближенный метод для оценки переходных процессов от поляризующихся сред, коаксиальных с генераторным контуром. Теоретический' анализ приближенным методом позволил найти приемы усиления и ослабления влияния ВПИ, а также оценить возможность применения этого эффекта в целях геофизической разведки. Возможность интерпретации новых типов кривых ЗСБ проведением МРЗ подтверждает такую возможность. При этом выделяемая поляризационная часть расширяет разведочную геофизику возможностью изучения вызванной поляризации индуктивными методами в переходном режиме, а также постановкой задачи о необходимости изучения законов гальванически возбуждаемого ВП на сверхранних временах на участках с аномальными процессами. Последнее необходимо не только для фиксирования причин объяснения новых типов процессов, но и для непосредственного использования их для оценки законов временного спада ЗПИ по формулам приближенного метода. Из всех различных модификаций способов изучения 3IM наиболее перспективными, по результатам теории, являются сква-жинные исследования ВПИ, которые представляют по существу каротаж ВПИ, позволяющий оценивать металл-фактор пород по разрезу. Результаты работ по изучению ЗПИ уже сегодня имеют практический выход. Обнаружение зоны измененных пород вблизи коренных месторождений алмазов — кимберлитовых тел — по новым типам кривых ЗСБ, позволило найти новые более эффективные критерии поиска трубки. Оговариваемая приближенность оценок, применительно к интерпретации полевых материалов ЗСБ и МПП является в большинстве случаев достаточной, так как методами регистрируются относительно поздние стадии переходных процессов, где условия приближения выполняются достаточно точно. Ранние стадии процессов, в одно-петлевых установках искажены влиянием собственных процессов и практически не используются и при интерпретации.
Результаты исследований используются или могут быть использованы в геофизике:
I. Теоретические публикащи по теории ЗПИ могут быть использованы широким кругом научных работников и сотрудников производственных организаций в рудной, угольной, нефтяной геологии, ъь, а также в гидрогеологии.
2. Проведенные исследования по изучению ВП наземных и скважинных измерений поляризуемости пород на ранних временах. показали большую дифференцированноеь пород по поляризуемости на ранних временах, это послужило основой начала НИР по созданию каротажа ранних стадий HI для изучения осадочных разрезов.
3. Проведенные теоретические оценки и результаты скважинных исследований показали перспективность нового метода ГИС-ка-ротажа ВПИ. это эквивалентно каротажу по кажущемуся металл-фактору пород.
4. ИГФЭ ПГО «Якутскгеология» приняла к внедрению на пять лег (IS83-I987 гг.) рекомендацию «Усовершенствование методики электроразведочных работ применительно к вьщеяению и изучению зон околотрубочных изменений пород» .
5. Проведением многоразмерных зондирований в одной точке 0(РЗ) удается разделить регистрируемые процессы на индукционные и поляризационные части, и тем самым проинтерпретировать новые типы переходных процессов с получением дополнительной информации о поляризуемости пород. Такой способ совместного изучения электропроводности и поляризуемости пород заявлен в Госкомитет по делам изобретений как изобретение и по заявке получено положительное решение.
6. Многоразмерные зондирования с описанием методики их интерпретации и некоторые программы обработки результатов ЗСБ внедрены в ИГФЭ с годовым экономическим эффектом 108 тыс. руб.
7. Применение МРЗ рекомендовано для районов Оренбурга при поисках пресных вод комплексом наземного и скважинного методов исследований электромагнитных свойств пород.
Основные положения диссертационной работы докладывались на всесоюзных совещаниях и семинарах по электромагнитным зондированиям (Новосибирск, октябрьский, Сладок, 197 7−1984 гг.) — на республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов в 1977 г. в г. Уфена научно-технической конференции НТО «Горное» в 1980 г. в г. Свердловске и г. Ленинаканена отраслевых научно-технических конференциях в 198 3 г. в г. Перми и г. Иркутске.