Оценка возможностей метода переходных процессов при изучении верхней части геологического разреза

Н. О. Кожевников, А. Е. Плотников

Введение

Метод переходных процессов (МПП) является одним из наиболее востребованных в современной электроразведке. Исторически он был изобретен и разрабатывался в связи с потребностями поисков и оценки рудных тел высокой электропроводности, залегающих на глубинах от первых десятков до сотен метров. При изучении горизонтально-слоистых сред или субгоризонтальных геоэлектрических неоднородностей, прежде всего при решении задач нефтяной геофизики, применяется аналог метода переходных процессов - зондирование становлением поля в ближней зоне (ЗСБ), занявшее прочное место в структурной электроразведке.

В 70-х гг. прошлого столетия В. А. Сидоров и др. [18, 19] постулировали возможность использования зондирования методом переходных процессов для картирования малых глубин и решения задач гидрогеологии. Примерно в это же время в связи с появлением аппаратуры "Импульс" и "Каскад" в области малоглубинных ЗСБ были получены первые практические результаты. С тех пор объем малоглубинных исследований методом переходных процессов неуклонно возрастал [2, 11, 29, 30]. В последнее десятилетие освоен микросекундный диапазон регистрации неустановившихся сигналов [1, 20], что позволило существенно расширить круг задач, решаемых с помощью импульсной индуктивной электроразведки.

Таким образом, одно из актуальных направлений развития МПП связано со стремлением уменьшить его глубинность в связи с потребностями инженерной геологии и гидрогеологии, геоэкологии, а также при решении геотехнических проблем. Хотя в последние годы появилось большое число публикаций, посвященных описанию результатов применения МПП для изучения верхней части геологического разреза (ВЧР), практически отсутствуют работы, где бы давалась оценка реальных возможностей, или - если посмотреть на проблему с другой стороны - ограничений метода переходных процессов именно при исследовании малых глубин. В данной статье на основе простой модели и наглядного подхода предпринята попытка до некоторой степени восполнить указанный пробел.

Оценка начального времени регистрации переходного процесса

На рис. 1, а изображена установка для осуществления зондирований методом переходных процессов, включающая генераторную и приемную горизонтальные незаземленные петли/рамки. Установка расположена на поверхности однородного проводящего полупространства с удельным электрическим сопротивлением р. Как известно [14], эффективную глубину зондирований (в метрах) можно оценить по формуле

где р - удельное сопротивление зондируемого полупространства, Ом-м; t - временная задержка, с; k1 - коэффициент. По данным разных авторов оптимальное зна чение k1 заключено в пределах от 400 до 700 [3, 4, 14]. В контексте настоящей статьи конкретное значение k1 не играет принципиальной роли; при получении нижеприведенных оценок было принято, что k1 = 500.

Зададимся минимальной глубиной исследования hmin, которой соответствует минимальная временная задержка t min:

откуда получаем формулу, с помощью которой можно оценить начальное время регистрации переходной характеристики ВЧР:

На рис. 1, б представлены графики начального времени регистрации в зависимости от минимальной глубины hmin и удельного сопротивления полупространства р, построенные для интервала глубин от 0,1 до 10 м и для р в диапазоне от 1 до 103 Ом-м. Вследствие того, что начальное время регистрации изменяется пропорционально квадрату глубины, снижение h min влечет за собой необходимость проводить измерения на очень ранних временах. Предположим, что hmjn = 10 м. Тогда при изучении ВЧР, представленной сравнительно низко-омными породами, например глинами или суглинками (р = 10 - 20 Ом-м), tmin не должно превышать 10 мкс. Как уже отмечалось выше, измерения переходных характеристик на временах порядка нескольких микросекунд и более освоены в современной импульсной электроразведке, поэтому исследование проводящего геоэлектрического разреза, начиная с глубины порядка 10 м, представляет собой выполнимую задачу. При повышении удельного сопротивления среды - например, вследствие промерзания ВЧР - до 102 Ом-м и далее до 103 Ом-м начальное время регистрации не должно превышать 1 и 0,1 мкс соответственно. Если же минимальная глубина исследований составляет 1 м, приведенные выше значения времен уменьшатся на два порядка, т. е. измерения переходных характеристик ВЧР необходимо проводить в диапазоне порядка единиц - сотен наносекунд. Подобные измерения представляют собой весьма непростую задачу. Причина этого заключается в том, что инерционность аппаратуры и в особенности приемной и генераторной петель/рамок является серьезным препятствием для измерения быстро устанавливающегося отклика ВЧР на импульсное воздействие.

Оценка размеров приемной рамки

На рис. 2,a в схематическом виде представлена система для импульсной индуктивной электроразведки. Система включает коммутатор тока, генераторную рамку, исследуемую геологическую среду, приемную рамку и регистратор. Обычно при анализе системы указанные компоненты рассматривают как линейные четырехполюсники с сосредоточенными параметрами [6, 9]. Полагают также, что параметры четырехполюсников взаимно независимы и постоянны во времени. Каждый из указанных элементов характеризуется собственной переходной характеристикой. Полезным сигналом является переходная характеристика геологической среды; переходные характеристики остальных э