Статья: Электрическое поле на поверхности проводящей поляризующейся среды при использовании симметричных и экваториальных установок

Иркутский национальный исследовательский технический университет

ООО «Сибирская геофизическая научно-производственная компания», г. Иркутск

Электрическое поле на поверхности проводящей поляризующейся среды при использовании симметричных и экваториальных установок

Е.В. Агеенков, А.А. Ситников, И.Ю. Пестерев, В.В. Владимиров

Аннотация

Научная задача публикации исследовать переходный процесс электрического поля на поверхности проводящей поляризующейся Земли, для экваториальной области источника -- электрическая линия. Использовать для этого ряд одномерных моделей, в которых вызванная поляризация (ВП) возникает в верхней и нижней части геологических образований, разделённых высокоомным экраном. Показать отличие проявления ЭМ сигнала, связанного с поляризацией, вызванной гальваническим (ВПГ) и вихревым током (ВПИ), в измерениях сигнала переходного процесса на измерительных линиях. Исследование основано на результатах решения прямой задачи импульсной электроразведки с электрическими линиями, в которой ВП учитывается введением частотно зависимого удельного электрического сопротивления формулой Коула-Коула, и построении зависимости сигнала переходного процесса (AU(t)).

Ключевые слова: индукционно вызванная поляризация (ВПИ), гальванически вызванная поляризация (ВПГ), заземлённая электрическая линия, экваториальная область источника.

Abstract

ELECTRICAL FIELD ON THE SURFACE OF CONDACTIVE POLARIZABLE MEDIEM ON VENNER AND EQUATORIAL ARRAYS

The scientific aim of the paper is electrical field transient research above conductive polarizable Earth for the equatorial areas of the source - electrical line. To use for this purpose a number of onedimensional models in which the IP is created on the upper and down section parts which separated by high resistive screen. To show the difference in the signal of the transient process on measuring lines, with galvanic and inductive excitation of the induced polarization predominating for visual allocation of the time range when in general the signal of the transient process is dominated by the formation signal, galvanically induced polarization (IPG), and induction-induced polarization (IPI). The study is based on the results of solving a direct problem ofpulsed electrical reconnaissance with earthed lines, in which the IP is taken into account by introducing the frequency-dependent resistivity by the Cole-Cole formula and transient (AU(t)) visualization.

Key words: induction induce polarization (IPI), galvanically induce polarization (IPG), grounded electrical line, equatorial areas of the electrical line.

Введение

Процесс вызванной поляризации возникает в многофазной гетерогенной геологической среде после протекания в ней внешнего тока [1], нарушающего её равновесное состояние, и релаксации в первоначальное состояние после прекращения этого воздействия. Во время релаксации процесс ВП проявляется как ЭМ сигнал [2] и может быть зарегистрирован измерителями ЭМ поля над средой, на её поверхности или внутри неё.

Искусственные источники ЭМ поля, такие как индуктивная петля [3], заземлённая на поверхности или внутри проводящей поляризующейся Земли электрическая линия [3] или круговой электрический диполь [4] по-разному воздействуют на среду, создавая в ней различные структуры токов и полей. В нашей публикации ограничимся исследованием воздействия горизонтальной электрической линии, заземлённой на поверхности проводящей поляризующейся одномерной Земли.

Горизонтальная индуктивная петля создаёт в среде вихревые токи, текущие в ней преимущественно горизонтально. В импульсном режиме диффузия вихревого тока вглубь геологической среды вызывает её поляризацию, которая при релаксации порождает токи вызванной поляризации индукционной природы. Эти явления (диффузия тока и поляризация) образуют ЭМ сигнал - становления ЭМ поля и ВПИ, регистрируемый измерителями.

Круговой электрический диполь в одномерной среде создаёт тороидальную систему токов, подавляющую индуктивную составляющую ЭМ поля, и образующую, таким образом, только поле электрического типа, под воздействием которого в проводящей среде текут гальванические токи. В реальной геологической среде, отличающейся от идеальной одномерной модели, такой источник будет возбуждать аномальное магнитное поле и аномальный вихревой ток, связанные с нарушениями латеральной однородности ЭМ свойств среды.

Горизонтальная электрическая линия в импульсном режиме создаёт в среде гальванические токи в момент импульса и вихревые токи в момент выключения и включения (изменения) тока, текущего в проводе и в Земле. Гальванический и вихревой токи вызывают в Земле поляризацию и процесс становления ЭМ поля, которые сопровождаются ЭМ сигналом гальванически и индукционно вызванной поляризации и становления.

Электрические установки для изучения ВП

Заземлённая электрическая линия состоит из отрезка проводника (провода, кабеля) и двух гальванических контактов с геологической средой, осуществляемых электродами А и В. Генераторная установка подключается к линии и во время импульса тока на одном из них создаёт положительный потенциал, на другом отрицательный. Проводящая Земля замыкает цепь. Между электродами А и В по проводу ток течёт в одну сторону, в Земле в другую. Так вокруг горизонтальной электрической линии создаются области, где гальванический ток течёт в разном направлении относительно заземлений, которыми линия контактирует со средой - это осевая и экваториальная области источника.

Гальванически заземлённая линия в импульсном режиме пропускания тока в проводящей Земле возбуждает индуктивный переходный процесс, ВПГ и ВПИ [5]. Во время токового импульса в поляризующейся среде протекают процессы разделения зарядов различной природы. Главным образом, это электро- кинетические явления, возникающие на границе жидкой фазы и ионных проводников - мембранная поляризация, поляризация, связанная с диффузионным потенциалом, и электрохимические явления, протекающие на границе жидкой фазы и электронных проводников (рудных включений) - электролитическая поляризация.

После прекращения этого воздействия начинаются обратные релаксационные процессы, проявляющиеся как ЭМ сигнал, регистрируемый измерителем совместно с ЭМ сигналом, связанным с диффузией вихревых токов внутрь проводящей Земли. Вихревые токи, распространяющиеся внутри поляризующейся среды (рис. 1а), также индуцируют процессы разделения зарядов, которые после их ослабления, а затем и затухания становятся обратными релаксационными процессами, также проявляющиеся как дополнительный ЭМ сигнал, регистрируемый измерителем. Это описание последствий импульсного воздействия заземлённой электрической линии на проводящую поляризующуюся Землю показывает, что оно сложнее, чем при таком же воздействии индуктивного источника. Однако именно заземлённая линия чаще используется для изучения ВП, т.к. плотность гальванических токов, «заряжающих» Землю, выше, чем у вихревых токов незаземлённого источника, а время воздействия определяется продолжительностью токового импульса, а не продолжительностью переходного процесса, как для индуктивного источника.

Рис. 1. Схема перемещения максимума плотности вихревых токов во время переходного процесса: а) для источника индуктивная петля; б) заземлённая линия.

В основе исследования лежат результаты решения прямой задачи горизонтальной электрической компоненты неустановившегося ЭМ поля для одномерной проводящей поляризующейся Земли. ВП среды учитывается частотно зависимым удельным электрическим сопротивлением (УЭС) по формуле Коула-Коула (1):

где р0 - УЭС на постоянном токе (Ом-м); ц - коэффициент поляризуемости (доли ед.); т - постоянная времени (с); c - показатель степени; т - круговая частота (сек-1).

Использовался метод линейной фильтрации решения задачи ЭМ становления [6]. Он основан на первоначальном получении частотной характеристики сигнала в широком диапазоне частот, затем путём преобразования Фурье решения во временной области.

Переходный процесс над проводящей поляризующейся Землёй для симметричной электрической установки

Проявление сигнала ВП после импульсного воздействия для электрических линий в осевой [7] и экваториальной [6, 8, 9] области источника исследовались неоднократно, однако, не проводилось разделение - какой вид тока порождает релаксационные процессы, гальванический или вихревой или той и другой природы.

Проявление сигнала ВПИ изучалось для индуктивной установки [2, 10, 11, 12], для заземлённых электрических линий этот вопрос исследовался меньше [6, 7, 13]. Легейдо [13] предложил ряд гео- электрических моделей, основанных на геологических условиях Юга Сибирской платформы (табл. 1), в которых поляризующимися являются два слоя, разделённые высокоомным экраном: первый и третий. В первом приближении ВП таких моделей связано преимущественно с гальваническим током («ВПГ») - при поляризующемся первом слое, преимущественно с вихревым током («ВПИ») - при поляризующемся слое под экраном, с двумя типами тока («ВПГ и ВПИ») - при поляризующихся и первом и третьем слоях и модель, в которой ВП не образуется («Без ВП»).

Таблица 1

Геоэлектрические модели численных расчётов

Расчёты сделаны для симметричных установок с разной длиной источника и измерителя. А 75 М 50 N 75 B (длина источника 200 м, измерителя - 50 м), A 200 M 200 N 200 B (длина источника 600 м, измерителя - 200 м), А 300 М 400 N 300 B (длина источника 1000 м, измерителя - 400 м), A 1500 M 1000 N 1500 B (длина источника 4000 м, измерителя - 1000 м).

Для установки с длиной источника 200 м, эффективная глубина проникновения постоянного тока составляет от 50 до 20 м, в зависимости от проводимости разреза. В нашем случае геологическая среда задана высокоомной, и глубинность будет больше, около 50 м, однако, она не превысит мощности первого слоя - 200 м. Т.к. сигналы от моделей «ВПГ» и «ВПГ и ВПИ» практически совпадают (рис. 2а), можно предположить, что ВП, связанная с гальваническим током, будет преобладать в общем сигнале. В отсутствии поляризации верхней части среды (модель «ВПИ»), индукционно вызванная поляризация, связанная с поляризуемостью нижнего горизонта, начинает проявляться со времени 10 мс (начинается отклонение от сигнала неполяризующейся модели), а на времени порядка 30 мс происходит смена знака сигнала переходного процесса.

Для установки с длиной источника 600 м, эффективная глубина проникновения постоянного тока составляет от 150 до 60 м, в зависимости от проводимости разреза. В нашем случае глубинность будет около 150 м и она не превысит мощности первого слоя - 200 м. Как и для предыдущей установки, сигналы от моделей «ВПГ» и «ВПГ и ВПИ» практически совпадают и вновь ВП, связанная с гальваническим током, будет преобладать в общем сигнале (рис. 2б). В отсутствии поляризации верхней части среды (модель «ВПИ»), индукционно вызванная поляризация, связанная с поляризуемостью нижнего горизонта, начинает проявляться со времени 10 мс (начинается отклонение от сигнала неполяризующейся модели), смена знака сигнала переходного процесса происходит на времени порядка 30 мс. Аналогичное поведение сигнала ВПИ наблюдается и для описанной выше установки. электрический сигнал поляризация гальванический

Для установки с длиной источника 1000 м, эффективная глубина проникновения постоянного тока составляет от 250 до 100 м, в зависимости от проводимости разреза. В нашем случае высокоомной среды глубинность будет больше, около 250 м, она превысит мощность первого слоя - 200 м. Для такой установки сигнал от модели «ВПГ и ВПИ» незначительно преобладает над сигналом от модели «ВПГ», что можно объяснить гальваническим возбуждением первого и третьего слоёв, заметно небольшое различие во времени смены знака сигнала (7,3 и 8,5 мс) для этих откликов (рис. 2в). Поведение сигнала от модели «ВПИ» аналогично такому же сигналу для установок с AB 200 и 600 м. Сигнал ВПИ нижнего горизонта, начинает проявляться со времени 10 мс (начинается отклонение от сигнала неполяризующейся модели), смена знака сигнала переходного процесса происходит так же на времени порядка 30 мс.

Для установки с длиной источника 4000 м, эффективная глубина проникновения постоянного тока составляет от 1000 до 400 м, в нашем случае геологическая среда задана высокоомной и глубинность будет больше, около 1000 м и постоянный ток будет проникать ниже высокоомного горизонта, подошва которого расположена на глубине 700 м. Сигнал, условно названный «ВПИ», будет вызван гальваническим током, т.к. он будет проникать под высокоомную толщу и возбуждать сильно поляризующийся горизонт (с поляризуемостью 50%) (рис. 2г). Общий сигнал будет складываться из гальванически вызванной поляризации от первого и третьего слоёв. Сигнал от модели«ВПГ», вызванный поляризуемостью первого слоя, значительно слабее сигнала от моделей «ВПИ» и «ВПГ и ВПИ», что можно объяснить меньшими значениями поляризуемости этого слоя (2%) и меньшей плотностью гальванического тока, текущего в этом слое, т.к. при такой длине источника он растекается до глубины 1000 м. Можно отметить увеличение времени смены знака переходного процесса для сигнала от модели «ВПИ» он незначительно увеличивается до 42 мс. Для сигнала от модели «ВПГ» смена знака происходит на времени 158 мс, что значительно больше, чем для установки с длиной источника 200 м - 0,63 мс, для установки с источником 600 м - 3,88 мс и для установки с АВ 1000 м - 8,5 мс.