Рис.3. Графики Za, ηк и ρк на железорудном месторождении (по А.З.Горину): 1 - сланцевая толща, 2 - порфириты, 3 - сиениты, 4 - магнетитовая руда (http://images.astronet.ru/pubd/2001/11/29/0001173324/fig4-2.gif).

В археологии:

Из всех геофизических методов при археологических исследованиях наиболее широко применяется электроразведка. Этому благоприятствует заметная дифференциация археологических объектов (каменных стен, траншей, могильных камер, металлических изделий, шлаков, углей и т.д.) и рыхлых вмещающих образований по электрическим свойствам. Обычно с помощью методов электроразведки решаются задачи:

1)  картирование древних рвов, дамб, горных выработок;

2)  поиски и разведка могильников и некрополей;

3)  исследование древних городов и поселений.

Рассмотрим пример изучения археологических памятников с помощью геофизических методов, полученный геофизической группой геологического факультета МГУ. Работы на некрополе Херсона (г. Севастополь) сводились к выработке оптимальной методики поиска склепов и их картированию на некрополе, занимающем склоны Песочной балки. Исследования в основном выполнялись электроразведкой методом симметричного профилирования. Из выявленных аномалий более 100 можно было, разумеется, с разной степенью вероятности, связать со склепами. Источниками некоторых аномалий являлись неровности рельефа и неоднородности, которые исключались по аномалиям малоразностного электропрофилирования. Выявление наиболее вероятностного положения склепов осуществлялось с учетом строения геологического разреза.

Древние строители некрополей вырубали склепы только в определенных геологических горизонтах: рыхлых известняках, снизу и сверху ограниченных тонкими слоями очень крепких, перекристаллизованных известняков. На рис.4. приведены результаты электропрофилирования по одному из профилей. Повышенными значениями кажущихся сопротивлений (ρк) выделяются склепы в рыхлых известняках. К сожалению, не все аномалии ρк оказывались над склепами (geo.web.ru).

Рис. 4. Схема строения склона Песочной балки со склепами и идеализированный график электропроводности в крест склону: 1 - почвенный слой (ρк = 30-70 Ом*м); 2 - прослой плотных известняков (ρк = 300-600 Ом*м); 3 - рыхлые обломочные известняки (ρк = 20-50 Ом*м); 4 – склепы (http://images.geo.web.ru/pubd/2001/11/05/0001161637/fig5-13.gif)

В инженерных изысканиях:

Обследование автомобильных дорог при помощи метода георадиолокации.

При эксплуатации, ремонте и реконструкции автомобильных дорог возникают вопросы, связанные с изучением строения земляного полотна и прогноза его состояния.

В частности:

1) изучение строения конструктивных слоев дорожной одежды;

2) изучение состояния подстилающих (коренных) грунтов:

3) картирование подземных коммуникаций.

Признанными достоинствами геофизических методов являются: применение неразрушающих, бесконтактных, способов получения информации, высокая технологичность и относительно низкая стоимость. Использование современных геофизических технологий: новейших аппаратурных разработок, соответствующих методик и программного обеспечения, а так же привлечение данных бурения позволяет получать надежное решение поставленных задач. Георадиолокация широко распространена в строительных и инженерно-геологических фирмах большинства высокоразвитых стран, таких как Россия, США, Канада, Швеция, Корея и др. Метод георадиолокации базируется на изучении поля высокочастотных электромагнитных волн (используются частоты от первых десятков МГц до первых единиц ГГц). В основе метода лежит различие горных пород по диэлектрической проницаемости. Излучаемый импульс, распространяясь в обследуемой среде или объекте, отражается от границ, на которых меняются электрические свойства - электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Отраженный сигнал принимается приемной антенной, усиливается, преобразуется в цифровой вид и запоминается. Достоинством метода является высокая производительность и высокая разрешающая способность, как в плане, так и по глубине. Глубинность исследования - от первых десятков сантиметров до первых десятков метров.

На рис.5. представлены фрагмент радарограммы, полученный по профилю вдоль автомобильной дороги. При интерпретации радарограммы были определены мощности искусственного покрытия и конструктивных слоев дорожной одежды. Привязка по глубине осуществлялась по результатам ближайшей скважины.

Рис.5. Строение участка дорожной насыпи с водопропускной трубой по георадиолокационным данным: вверху - радарограмма с результатами интерпретации; внизу - геологический разрез (http://www.logsys.ru/imgl/st001_p004.jpg) .

На радарограмме в верхней части разреза достаточно четко выделяются две отражающие границы. Они соответствуют подошвам асфальтобетона и гравийно-щебеночного слоя. Толщина асфальтобетона колеблется от 6 до 13 см, мощность щебня колеблется от 15 до 40 см. Ниже залегает слой песка, мощность его достигает 50 см. Песок подстилается супесью и суглинком. Нижняя граница суглинка является границей раздела между насыпными и коренными отложениями. В основании насыпи находится плотная глина. Профиль пересекает водопропускную трубу. Над осью трубы происходит смена покрытия (до пересечения оси трубы асфальтобетон перекрыт сверху песчано-гравийной смесью (ПГС)). По обе стороны от трубы наблюдаются просадки в теле насыпи. Непосредственно над трубой наблюдается увеличение мощности слоев слоя супеси, возможно, здесь насыпали дополнительно грунт после закладки трубы.

Глава 4. Современные методы и средства исследований

На данный момент существует 3 различных метода электроразведки:

1.  Электромагнитное зондирование

2.  Электромагнитное профилирование

3.  Подземно-скважинные методы

К электромагнитным зондированиям (ЭМЗ) относится наиболее информативная и трудоемкая группа методов электроразведки. В ЭМЗ используемые поля, аппаратура, методика, включающая способы проведения работ, выбор установок и систем наблюдений, направленных на то, чтобы получить информацию об изменении электромагнитных свойств (чаще это УЭС) с глубиной. С этой целью на каждой точке ЭМЗ, точнее, на изучаемом участке за счет геометрии установок или скин-эффекта добиваются постепенного увеличения глубинности разведки. В дистанционных (геометрических) зондированиях, проводимых на постоянном или на переменном токе фиксированной частоты или постоянном времени становления поля, постепенно увеличивается расстояние между питающими и приемными линиями (разнос - r). Скин-эффект используется в методах с фиксированным разносом, а увеличение глубинности достигается возрастанием периода гармонических колебаний (T) или времени изучения становления поля (переходного процесса) в среде (t). Используются и оба способа изменения глубинности. Для зондирований применяются одноканальные и многоканальные приборы или электроразведочные станции. Определяемые в результате зондирований амплитуды и фазы электрических (E) или магнитных (H) компонент поля или кажущиеся сопротивления (КС) для разных параметров глубинности (ПГ) характеризуют изменение геоэлектрического разреза с глубиной. За параметры глубинности принимаются r, , . В результате ЭМЗ строятся кривые зондирований, т.е. графики зависимостей кажущихся сопротивлений от параметров глубинности. Теория и практика электромагнитных зондирований хорошо разработаны для одномерных горизонтально слоистых моделей сред. Поэтому зондирования чаще всего проводятся при изучении горизонтально и полого залегающих (углы падения меньше 10° - 15°) разрезов. В результате количественной интерпретации кривых ЭМЗ получаются послойные или обобщенные геометрические и электрические свойства слоев или толщ. По совокупности профильных или площадных зондирований строятся геоэлектрические разрезы (по вертикали откладываются мощности слоев или пачек слоев, а в их центрах проставляются электрические свойства слоев) или карты тех или иных параметров этих разрезов. Электромагнитные зондирования используются для решения широкого круга задач, связанных с расчленением по электромагнитным свойствам пологослоистых геологических разрезов. Они применяются для глубинных, структурных исследований, поисков и разведки полезных ископаемых, детальных инженерно-геологических, мерзлотно-гляциологических, гидрогеологических, почвенно-мелиоративных и экологических исследований (astronet.ru)

К электромагнитным профилированиям (ЭМП) относится большая группа ускоренных методов электроразведки, в которых методика и техника наблюдений направлены на то, чтобы в каждой точке профиля получить информацию об электромагнитных свойствах среды примерно на одинаковой глубине. Для этого выбираются постоянные или мало меняющиеся разносы между питающими или приемными линиями (r), а также изучаемые частоты (f) или времена (t) переходного процесса. Выбор глубинности, точнее интервала глубин изучения геологического разреза, а значит r, f, t , зависит от решаемых задач и геоэлектрических условий. Он обычно производится опытным путем по данным ЭМЗ или ЭМП с разными глубинностями и должен обеспечить получение максимальных аномалий наблюденных или расчетных (например, кажущихся сопротивлений) параметров вдоль профилей или на площадях исследований. Если зондирования предназначены для изучения горизонтально или полого залегающих слоев в вертикальном направлении, то профилирования служат для выявления неоднородностей в горизонтальном направлении. В результате ЭМП строятся: графики (по горизонтали откладываются пикеты (или точки наблюдения), по вертикали - наблюденные или расчетные параметры); карты графиков (на карте выносятся профили, перпендикулярно которым выстраиваются графики); карты (на карте проставляются точки наблюдений, около них записываются значения параметров и проводятся изолинии). Теория электромагнитных профилирований построена на математическом и физическом моделировании горизонтально-неоднородных физико-геологических моделей (двухмерных и трехмерных). В результате интерпретации материалов ЭМП выявляются аномальные по электромагнитным свойствам участки.

Электромагнитные профилирования применяются для решения разнообразных геологических задач, связанных с картированием крутозалегающих (углы падения больше 10° - 20°) осадочных, магматических, метаморфических толщ, поисками и разведкой полезных ископаемых на глубинах до 500 м. Они используются при рекогносцировочных инженерно-геологических, мерзлотно-гляциологических, гидрогеологических, почвенно-мелиоративных и экологических исследованиях. Множество вариантов ЭМП определяется разнообразием используемых полей, методов и различием электромагнитных свойств горных пород и руд.

Подземно-скважинные методы электроразведки предназначены для изучения пространств между горными выработками, скважинами и земной поверхностью, т.е. для решения геологоразведочных задач в трехмерном объемном пространстве. В них применяются большинство электромагнитных зондирований и профилирований. Однако особенности измерений в горных выработках и скважинах требуют применения специальной аппаратуры, методики, теории и приемов интерпретации. Кроме того, благодаря возбуждению поля вблизи обнаруженных полезных ископаемых увеличиваются аномалии, которые ими обусловлены. Это позволяет выполнять просвечивание массивов горных пород. Подобные объемные исследования повышают глубинность и эффективность электроразведки на этапах детализационных исследований шахт и рудников для добычи твердых полезных ископаемых. Наибольшее применение они находят при разведке рудных месторождений - как при подготовке, так и в ходе их промышленной эксплуатации.

Из-за наличия множества методов электроразведки используются или создаются специально разнообразные комплекты аппаратуры и оборудования. Создаваемые и выпускаемые малосерийные приборы быстро устаревают и непрерывно совершенствуются в направлении увеличения числа одновременно регистрирующих каналов, компьютеризации измерений и обработки информации. Поэтому остановимся лишь на принципах устройства и назначения основных групп приборов. Для изучения небольших глубин (до 500 м) используются переносные приборы и оборудование. Разведка больших глубин (свыше 0,5 км) осуществляется с помощью электроразведочных станций (ЭРС). Ускоренное геологическое картирование и поиск полезных ископаемых на глубинах до 200 м выполняется с помощью аэроэлектроразведочных станций.

Для электроразведки небольших глубин с поверхности Земли и в горных выработках используются различного рода переносная аппаратура и оборудование, состоящие из ряда блоков, общей массой 20 - 100 кг. Переносная генераторно-измерительная аппаратура обычно приспособлена для работ одним-двумя методами. Она чаще всего имеет один-два канала измерения разностей потенциалов. Для работ на постоянном токе и низкой частоте (до 20 Гц) применяются комплекты, состоящие из генератора с аккумуляторным или батарейным питанием и микровольтметра.

При электромагнитных зондированиях больших глубин (до 10 км), когда необходимы мощные источники тока, а также при магнитотеллурических исследованиях применяются различные электроразведочные станции (ЭРС). Они смонтированы на одной или двух грузовых или легковых автомашинах. На одной автомашине, называемой генераторной группой, расположены один или два генератора постоянного тока напряжением до 1000 В при токе до 25 А, работающие от двигателя автомобиля. С помощью тиристорного коммутатора в питающую линию могут передаваться напряжения разных частот от 10-3 до 103 Гц. В генераторной группе установлены приборы для контроля, регулировки, измерения силы тока в питающих линиях. На второй автомашине, называемой измерительной или полевой лабораторией, расположена аппаратура, предназначенная для автоматической регистрации разностей потенциалов в аналоговой или цифровой форме (иногда она переносная). Обычно станции имеют 5 каналов, но иногда больше. В цифровых измерительных станциях имеются приборы для кодирования сигналов в цифровую форму, что обеспечивает возможность обработки информации с помощью персональных компьютеров.

Аэроэлектроразведочные станции - это сложные электронные установки, предназначенные для трех видов аэроэлектроразведки: 1) с наземной генераторной группой, питающей длинный кабель (до 30 км) током силою в несколько ампер, в интервале частот от 0,1 до 1 кГц, и расположенной на самолете или вертолете измерительной лаборатории, которая регистрирует напряженность магнитного поля этого кабеля; 2) односамолетный вариант с генераторной и измерительной установками, смонтированными на одном самолете или вертолете. С помощью петлевой генераторной антенны создается переменное поле, которое измеряется специальным магнитометром, установленным либо на том же летательном аппарате, либо в выносной гондоле; 3) двухсамолетный вариант, когда на одном самолете располагается генераторная группа с петлевой антенной, а на другом - измерительная лаборатория тоже с петлевой антенной.

Глава 5. Связи с другими научными дисциплинами

Являясь непосредственной частью геофизики, электроразведка тесно связана с геологией, физикой и математикой. Данные дисциплины предоставляют ей теорию, необходимую для решения прямых и обратных задач. С другой стороны, с помощью электроразведки становится возможным разработка новых месторождений, изучение земной коры, а так же некоторых геологических образований (ледники, оползни т.д.) С остальными дисциплинами, такими как: археология, инженерные и гидрогеологические изыскания, экология, эксплуатация магистральных трубопроводов, связь в «противоположном» порядке. Им предоставляются факты (замеры) и модели (профилирование, и т.д.).

Примеры связей электроразведки

Геология:

1)картирование, поиск и прослеживание геологических образований, минимально контрастных по удельному электрическому сопротивлению: разломов, контактов горных пород, тектонических зон дробления, кварцевых жил, околорудных изменений, рудных тел, структурно-литологических комплексов, благоприятных для локализации месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых и т.п.;

2)определение глубины залегания и мощности пологозалегающих пластов горных пород, исследование геологических структур на глубинах до первых десятков - сотен метров (в зависимости от общей геологической обстановки);

3)поиски и оценка запасов месторождений строительных материалов (гравия, песков, глин, известняков и т.д.)

Экология:

1)изучение территорий, загрязненных отходами специфического химического состава, в т. ч. нефтепродуктами;

2)определение зон фильтрации токсичных растворов из накопителей отходов;

3)выбор мест, благоприятных для захоронения токсичных отходов; мониторинг состояния мест захоронений;

Инженерные и гидрогеологические изыскания:

1)обследование участков под все виды строительства, а также выбираемых трасс под прокладку дорог и под строительство гидротехнических сооружений; мониторинг состояния дамб и плотин;

поиск и картирование водоносных пластов и продуктивных мест для организации водоснабжения

поиск, оконтуривание и прослеживание всех видов подземных инженерных сооружений и коммуникаций;

2)картирование и глубинные исследования карстовых образований, оценка устойчивости бортов карьеров и оползневых склонов;

геофизические исследования в зонах возникновения чрезвычайных ситуаций при активизации экзогенных геологических процессов;

Городское хозяйство:

1)прослеживание трасс водопровода, газопровода, канализации, теплотрасс, силовых кабелей и кабелей связи;

2)изучение состояния фундаментов и подвальных помещений зданий;

3)оценка коррозионной активности грунта по результатам электропрофилирования его удельного электрического сопротивления (УЭС);

4) экспрессное определение местоположения локальных дефектов изоляционного покрытия трубопроводов;

Глава 6. Проводимые исследования по данной теме на ГГФ НГУ и в институтах геологического профиля Новосибирского центра СО РАН

Программа СО РАН: «Теоретическое и экспериментальное изучение электромагнитных полей в сложнопостроенных анизотропных и дисперсных средах с целью повышения геологической информативности современных методов наземной геоэлектрики».

Цель исследований на весь период действия проекта заключается в повышении геологической информативности наземной геоэлектрики.

Проделанная работа в данном направлении:

1.  Исследование дисперсных свойств электромагнитных параметров горных пород;

2.  Изучение сложной анизотропии электропроводности (Исследование взаимного влияния постоянных и переменных электрических полей);

3.  Сформирован информационный банк, включающий математические модели для описания релаксаций вызванной электрической поляризации в ионно-проводящих дисперсных породах, а так же данные по вещественному и минеральному составу и петрофизическим характеристикам поляризующихся сред;

4.  Восстановление геоэлектрических моделей сложно построенных объектов в сейсмоактивных районах;

5.  Разработка новых видов аппаратуры. http://igp.uiggm.nsc.ru/

В институте геофизики СО РАН была разработана аппаратура электромагнитного сканирования ЭМС:

Данная аппаратура разработана в лаборатории электромагнитных полей и предназначена для малоглубинных (до 10 м) исследований земной коры. Области ее применения:

1.  Мониторинг состояния подземных коммуникаций, поиск и локализация источников утечки воды в подземных трубопроводах;

2.  Картирование грунтовых вод;

3.  Определение местоположения подземных трубопроводов, кабелей, тоннелей;

4.  Исследование состояния грунта, определения зон развития трещиноватости, обводнения;

5.  Детальные исследования археологических объектов;

6.  Мониторинг и детальная диагностика загрязнения почвы горюче-смазочными материалами.

Эти и другие задачи аппаратура ЭМС позволяет решать с поверхности, не нарушая дорожное покрытие.

Комплект аппаратуры представляет собой собственно зонд, находящийся в прочном стеклопластиковом корпусе, и переносной компьютер со специальным программным обеспечением. Общая длинна зонда в рабочем состоянии 2,75 м, в транспортном положении – 1,4 м. Масса около 12 кг.

Аппаратурный комплекс уникален. Некоторые конструкционно-технологические решения, применяемые для его построения, являются запатентованными изобретениями. Комплекс ЭСМ имеет очень высокую помехоустойчивость, что позволяет применять его в городских условиях (Манштейн, 2002г.).

Заключение

Несмотря на то, что возможно курсовая написана плохо, мне все-таки пришлось перечитать довольно много материала в процессе ее составления. Поэтому я стал гораздо лучше разбираться в разделах разведочной геофизики, не только в электроразведке, усвоив основные идеи и принципы решения прямых и обратных задач. При написании курсовой больших затруднений не возникало, и если бы не ограничения по объему, можно было бы осветить некоторые темы более полно.

Cловарь основных терминов

скин-эффект - Скин-эффект вызван возникновением вихревых токов в проводящей среде при распространении через нее электромагнитной волны. В результате этого в среде возникают потери энергии, что приводит к уменьшению напряжённостей электрического и магнитного полей и плотности тока, т. е. к затуханию волны. С увеличением частоты переменного тока скин-эффект проявляется все более явно. Формула для расчёта глубины скин-слоя в металле (приближённая):

,

Здесь ρ - Удельное сопротивление, c - скорость света, μm - относительная магнитная проницаемость (равна единице для неферромагнетиков - меди, серебра, ...), ω = 2π * f.

корректность задачи - Задача называется корректной задачей (или корректно поставленной), если выполнены следующие условия (условия корректности):

1.  задача имеет решение при любых допустимых исходных данных (существование решения);

2.  каждым исходным данным u соответствует только одно решение (однозначность задачи);

3.  решение устойчиво.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС)- характеристика способности пород оказывать электрическое сопротивление прохождению тока.

Электрохимическая активность - свойство пород создавать естественные постоянные электрические поля.

Поляризуемость – способность пород накапливать заряд при пропускании тока, а затем разряжаться после отключения этого тока     .

Анизотропность - это способность вещества проявлять различные свойства в разных направлениях.

Список использованной литературы

1. Манштейн А.К. Малоглубинная геофизика: Учеб. пособие по спецкурсу. Новосибирск, Новосиб. гос. ун-т, 2002. 136 с.

2. Электроразведка. Справочник геофизика. В двух книгах / Под ред. Хмелевского В.К., Бондаренко В.М. Книга вторая. М.: «Недра», 1989. 378 с.

3. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л. Электроразведка. М., «Недра», 1974. 376 с.

4. http://astronet.ru/

5. http://geo.web.ru/

6. http://igp.uiggm.nsc.ru/