Способ обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое земли

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН авЯОа ЗСЮа 01 Чз О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ о Красинстивательс ельство СССО, 1966.яхов Л,Л.едра, 198 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Донецкий ордена Трудовоного Знамени политехническийтут и Донецкий научно-исследкий гориорудный институт(54) (57) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕИ В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕЗЕМЛИ, основанный на непрерывном измерении естественного переменногомагнитного поля при помощи двух ортогональных рамок, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения эффективности обнаружения неоднородностей нерудной природы, например тектонических нарушений, карстон, скоплений подземных вод, измеряют постоянную часть естественного магнитного поля по профилям на высоте не более 0,5 м от поверхности Земли ипо аномальным значениям регистрируеьих сигналов судят о наличии и местоположении неоднородностей.Изобретение относится к наземнымспособам геомагниторазведки, основанным на излучении естественногоэлектромагнитного поля Земли, и может быть использовано на стадияхпоиска и разведки месторождений нерудного сырья.Однако способ непригоден для исследований месторождений нерудногосырья, так как аномалии на неоднородностях достигают десятков гамм,Известен способ геоэлектроразведки по обнаружению геологическихнеоднородностей методами естественных переменных магнитных полей, основанный на измерении Функции взаимной корреляции с использованием ортогональных приемных элементов. Согласно укаэанному способу сигналы отгоризонтального и вертикального приемных элементов складываются, преобразовываются, вычисляются отношениясумм сигналов к Функции автокорреляции сигнала от горизонтального приемного элемента и по названным отношениям судят о наличии и местоположении аномалии проводимости массивов горных пород. Способ применимдля разведки рудных и нефтегазоносных месторождений 1).Известный способ характеризуетсянизкой точностью результатов измерений из-за высокой изменчивости переменной части естественного магнитного поля, причем отсутствие по способу базисной точки для сравненияизмерений на профильных точках с 35измерениями на базисной точке присложных геологических условиях также приводит к ошибочным результатампри определении местоположения неоднородностей.Кроме того, способ не применим40в любое время года, не осуществим впроцессе движения установки, и обладает низкой эффективностью при использовании его на нерудных месторождениях из-за слабых магнитных ано малий.Наиболее близким к изобретениюявляется способ обнаружения неоднородностей в приповерхностном слоеЗемли, основанный на непрерывном измерении естественного переменногомагнитного поля при помощи двух ортогональных рамок 2),Данный способ неэффективен дляобнаружения неоднородностей неруднойприроды, так как именно в беэрудныхобластях регистрируют нулевые Фоновые отсчеты. Цель изобретения - снижение трудоемкости и повышение эффективнос ти обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое Земли нерудной природы, например тектонических нарушений, карстов, скоплений подземных вод, 65 Поставленная цель достигается тем, что согласно способу обнаружения неоднородностей в приповерхностном слое Земли, основанному на непрерывном измерении естественного переменного магнитного поля при помощи двух ортогональных рамок, измеряют постоянную часть естественного магнитного поля по профилям на высоте не более 0,5 м от поверхности Земли и по аномальным значениям регистрируемых сигналов судят о наличии и местоположении неоднородностей.На Фнг. 1 показана схема образования магнитной аномалии главного магнитного поля Земли на поверхностном обводненном карсте (графики ЭДС); на фиг. 2 - то же, физическая картина преломления магнитных силовых линий на физической неоднородности поверхностном обводненном карсте; на Фиг., 3 - то же, что на фиг. 1, на обводненном заполненном рыхлым материалом тектоническом нарушении (график ЭДС); на Фиг. 4 - Физическая картина преломления магнитных силовых линий на физико-геометрической неоднородности - обводненном текстоническом нарушенииФорма кривой 1 (фоновая) при профилировании над участком без однородностей; экстремальная часть кривой 2 ЭДС над карстом; положение 3 магнитных силовых линий над участком без неоднородностей; положение 4 магнитных силовых линий над поверхностным карстом; граница 5 Земля - воздух граница 6 Скальные - рыхлые породы, массив 7 скальных пород поверхностный обводненный карст 8; форма кривой 9 ЭДС (Фоновая) при профилировании над участком без неоднородностей; экстремальная часть кривой 10 ЭДС над обводненном тектоническом нарушений; обводненное заполненное рыхлым материалом тектоническое нарушение 11.Предлагаемый способ бснован на следующем.Современные исследования позволяют разделить геомагнитное поле на три основные части: главное магнитное поле и его вековые вариации с источником внутри ядра Земли; аномальное поле, обусловленное совокупностью источников в тонком верхнем слое Земли, называемом магнитоактивной оболочкой Земли; внешнее поле, связанное с внешними источниками - токовйми системами в околоземном пространстве.Вклад главного магнитного поля в магнитное поле, наблюдаемое на поверхности Земли, составляет в среднем более 95 В, аномальное поле вносит около 4 и доля внешнего поля (переменного электромагнитного) составляет около 1.Исходя из вышеизложенного и сучетом того, что на нерудных месторождениях в приповерхностном слоеЗемли глубиной до 300-400 м (от поверхности Земли) чаще всего присутствуют слабомагнитные породы, понятна важность разработки способа исследований изменений главного маг-.нитного поля в приповерхностномслое Земли и над поверхностью Земли.В настоящее время не представляет затруднений в устройстве для осуществления способа установить фильтры и экран для ограничения влиянийпеременной части геомагнитного поляна результаты измерений главногомагнитного поля Земли, При перемещении установки над исследуемой поверхностью влияние длиннопериодныхизменений переменной части геомагнитного поля на результаты записизначений ЭДС резко уменьшается.В предлагаемом способе обнаружения неоднородностей, таким образом, исследуется главное магнитноеполе Земли, вкладывающее более 95информации в наблюдаемое на поверхности Земли геомагнитное полеЭлектромагнитное поле Земли претерпевает на геометрических ифизических неоднородностях отражение и преломление. Электрическиеи магнитные компоненты поля преломляются обратно пропорционально соответственно Ф и У , т.е, коэффициент преломления при наличии гео.метрических или физических границраздела двух сред равенг,и: - ,Егдеи Г - диэлектрические проницаемости второй и первой сред;ь и р - магнитные проницаемости,Диэлектрические проницаемости пород изменяются в пределах от первыхдц до д едиц а ффВоЫ81. Магнитная проницаемость осадочных пород почти всегда равна или большеединицы и меньше двух,но изменяетсяв относительно больших пределах.Над поверхностью Земли на высотедо 0,5 м в связи с изложенным и подтвержденным на практике образуютсяаномалии главного магнитного поляЗемли за счет преломления магнитныхсиловых линий на неоднородностях .нерудной природы (практически немагнитных или слабо магнитных осадочныхпород), на границах раздела разнотипных пород и, наконец, на границе Земля - воздухф, Особенно эфФект преломления значителен на об-водненных неоднородностях (карсты,тектонические нарушения, линзы подземных вод и т.п.). В предлагаемом способе подприповерхностным слоем земли принимается слоЯ пород мощностью 300-400 мот поверхности Земли. На таких максимальных глубинах обнаруживают не 5 однородности, характерные для месторождений нерудного сырья - известняки и доломиты, огнеупорные глины икаолины, гипсы, соли.Существенное влияние на графикЭДС, а значит, на эФФективность обнаружения неоднородностей и нерудной природы оказывает высота перемещения рамок над поверхностью Земли.Эффективной оказалась высота 0,5 м(ниже мешает неровность поверхностии растительность) . Проведенные эксперименты по перемещению катушек навысоте 1, 1,5 и 2,0 м показали, чточасто неоднородности - карсты, мелкие тектонические разрывы - не обна 0 руживаются,Считается закономерным, что геологические неоднородности всегда имеют вокруг себя локальные электрические поля, которые всегда сопровождаются магнитными полями за счет кон.тактов неоднородностей со слоямиразличного типа пород, фильтрациижидкостей и т.п. Причем над неоднородностями с заниженным электросо 30 противлением (карсты, обводненныетектонические нарушения) напряженность магнитного поля всегда большепо сравнению с фоновым. Эти явлениявсегда вносят вклад в наблюдаемое35 главное магнитное поле Земли, в частности в аномалии главного магнитного поля Земли даже на нерудных месторождениях при измерениях напряженности над поверхностью Земли,40 Считается закономерным также то,что вертикальная компонента Н главного магнитного поля убывает с увеличением высоты над поверхностьюЗемли обратно пропорционально кубурасстояния, а компоненты Н, Н-обратно пропорционально четвертойстепени этого расстояния.Поэтому в предлагаемом способеиспользуют спаренные ортогональныерамки, позволяющие при их перемеще 50 нии регистрировать возникающие вних ЭДС от взаимодействия Н и Н(Ну)Из законов электродинамики известно, что во всяком замкнутом проводя 55 щем контуре при изменении потока магнитной индукции через площадь, ограниченную этим контуром, возникает.электрический индукционный ток. Величина ЭДС индукции (; ) пропорциональна скорости изменения потока индукции со временем и определяется поформуле с 3 ФЕ = -- =шф зпЧОгде оз - частота пересечения конту"ром аномалии плотности магнитных силовых линий у поверхности Земли;Ф - нормальный поток магнитнойиндукции через площадь контура;Ч - угол между нормалью рамкии магнитными силовыми линиями главного магнитногополя Земли; 10Ж - время, принятое для определения изменений потока магнитной индукции.В предлагаемом способе ортогонально спаренные рамки непрерывно пере- )5 ме)цаются над поверхностью на высоте до 0,5 м, пересекая магнитные силовые линии главного магнитного поля Земли, которые над аномалиями представлены зонами различной плотности и углами наклона к поверхности.Возникающая в рамках (катушках индуктивности) ЭДС представляет собой сумму ЭДС от вертикальной и горизонтальной компонент главного магнитного поля Земли. Способ не исключает записи ЭДС только от взаимодей-. ствия с вертикальной или горизонтальной компонентой, или полным вектором магнитной индукции главного магнитного поля Земли. 30Предлагаемый способ реализуется следующим образом.На исследуемом участке месторождения нерудного сырья разбивают профили для проведения съемок. 35В качестве устройств для осуществления способа могут быть взяты рамки-катушки индуктивности длиной 30 см и шириной 10 см и состоящие из 800 витков медного изолированно го провода 0,15 мм. Катушки соединяются (спариваются) между собой под прямым углом, а при перемещении над поверхностью Земли они ориентируются под одинаковым углом к вертикали, 45 т.е. нод углом 45,Для удобства проведения исследований рамки можно установить на кронштейне-держателе, который переносит впереди себя оператор. Рамки защищены сверху экраном, который заземлен с прибором регистратором. Дополнительно устанавливается частотный фильтр для защиты от воздействия переменной части геомагнитного поля.55 В качестве первичного регистратора ЭДС в рамках выбирается магнитофон переносного типа (батарейное питание) с встроенным в него муль О тивибратором, Записанная на магнитбФонную пленку ЭДС в стационарных условиях графопостроителем соответствующего типа записывается на бумаге в виде графика ЭДС, 65 физическая картина образованиямагнитной аномалии главного магнитного поля Земпи следующая.Магнитные силовые линии главногомагнитного поля исходят из глубокихнедр Земли ориентировочно под прямым углом к поверхности Земли (порадиусу Земли),В однородном скальном массиве 7магнитные силовые линии занимаютпервоначальное положение (Фиг.1 - 4),На границе б Скальные-рыхлыепороды по законам преломления в виду различия Е и р пород магнитные силовые линии изменяют свой уголи проходят сквозь рыхлые породы, апри подходе к границе 5 Земля-воздух по этим же законам они опятьизменяют свой угол и занимают положение 3 (фиг. 2 и 4).При встрече с физической неоднородностью, например с поверхностнымобводненным карстом 8 (фиг. 2), магнитные силовые линии главного магнитного поля Земли претерпевают большеепреломление (Г , =81 фздоолнителя=40ц зодиа 1 Н здполнитВл%зультате над поверхностью 8 магнитные силовые линии занимают положение 4 (фиг. 2), В этом случае аноМалия вертикальной составляющей быларавна 80-100 т.При профилировании спареннымирамками в них возникают ЭДС, Формаграфиков которых над участками безнеоднородностей имеет внд 1 (Фоновый, фиг. 2) .Над обводненным поверхностнымкарстом график ЭДС принимает экстремальное значение 2 (фиг. 1) . Придальнейшем перемещении устройстваформа кривой ЭдС имеет прежний вид,1.При профилировании участков, накоторых имеются обводненные тектонические нарушения 11 (фиг. 4), Формакривой ЭДС изменяется.При подходе к тектоническим нарушениям форма кривой ЭДС имеет вид 9(Фиг. 3). Над тектоническим нарушением изменяется Форма и размеры экстремальных значений кривой 10 ЭДС(Фиг. 3) .Изменение экстремальных параметров ЭДС над тектоническими нарушениями вызвано двумя факторами: относительное смещение преломляющих границ (геометрическая неоднородность);наличие обводненных рыхлых пород заполнителя (физическая небднородность).Аномалии главного магнитного поляЗемли в приводимом примере над обвод-ненным тектоническим нарушением составляют 250-300(по вертикальнойсоставляющей) . Способ предусматривает классификацию неоднородностей.не только по Форме кривой ЭДС, но ипо величине самой ЭДС. Так, над обводненным поверхностным карстомэкстремальное значение ЭДС составляет 5 мВ, а над обводненным тектоническим нарушением - больше 10 мВ фиг. 1 н 3,).форма кривой ЭДС на фиг. 2 по сравнению с фиг, 1 отличается изре занностью. Это объясняется сложным рельефом скальных пород, примыкающих к тектоническому нарушению.Для распознания вида неоднородности на крииой ЭДС очевидно, что необходимо накопление опыта записи ЭДС на известных геологических разрезах. Необходима систематизация экстремальных значений ЭДС, характерных дляопределенного типа месторождений.После приобретения опыта расшиФровки кривых ЭДС и их экстремальныхзначений осуществление способа непредставляет затруднений. Отличительными особенностями предлагаемого способа являются: резкое уменьшение трудозатрат, дешевизна, оперативность и надежность, возможность осуществления практически круглый год и в сложных рельефных условиях местности.Закаэ 325/46 Тираж 711 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП фПатентф, г.ужгород, ул.Проектная, 4