Электротомография

Электротомография – высокоразрешающая электроразведка на постоянном токе

Введение

Электроразведка методом сопротивлений остается одним из основных методов при малоглубинных геофизических исследованиях. Основной методикой являются вертикальные электрические зондирования, нацеленные на изучение горизонтально-слоистых разрезов. В настоящее время активно внедряется в практику методика электротомографии, которая позволяет исследовать сложно построенных среды и проводить интерпретацию в рамках двумерных моделей. Такая методика применяется на Западе уже более 10 лет [Griffiths and Barker, 1993; Бобачев и др., 1996], но в России она до сих пор не получила широкого применения из-за практически полного отсутствия отечественной аппаратуры. В англоязычной литературе наиболее часто употребляется два термина: Resistivity Imaging и Electrical Resistivity Tomography. Термин электротомография вошел в «Свод Правил» Госстроя России [СП 11-105-97, 2004] и будет использоваться далее. 

Метод сопротивлений

Основой метода сопротивлений является то, что электрическое поле, наблюдаемое на поверхности земли (ΔUmn) при пропускании электрического тока (IAB) через заземленные электроды, зависит от распределения удельного электрического сопротивления в некоторой области разреза вблизи установки. Интегральный характер наблюдаемого поля, позволяет использовать метод сопротивлений в условиях, когда изучаемый разрез имеет сложное строение, типично для городских и индустриальных условий. С другой стороны, эта устойчивость метода приводит к низкой разрешающей способности метода, в сравнении c сейсмическими методами или георадаром. Методика электротомографии благодаря использованию высокой плотности наблюдений, позволяет существенно повысить разрешение, особенно в горизонтальном направлении.  

Электротомография

Электротомография — это целый комплекс, включающий в себя как методику полевых наблюдений, так и технологию обработки и интерпретации полевых данных. Ее особенностью является многократное использование в качестве питающих и измерительных одни и те же фиксированные на профиле наблюдений положения электродов. Такой подход позволяет с одной стороны, работать с современной высокопроизводительной аппаратурой, а с другой стороны, применять эффективные алгоритмы моделирования и инверсии. Интерпретацию данных электротомографии проводят в рамках двумерных и трехмерных моделей. Это принципиально расширяет круг решаемых электроразведкой задач, за счет исследования сред, значительно отличающихся от «классических» горизонтально-слоистых.

et1

Разрешающая способность (т.е. количество деталей геоэлектрического разреза, устойчиво проявляющихся в электрическом поле) и, соответственно, качество интерпретации данных электротомографии тесно связано с числом и плотностью измерений на одном профиле. Их число обычно достигает первых тысяч, поэтому вопрос о производительности полевых измерений имеет принципиальное значение и во многом определяет возможность практического использования этого метода. Для достижения максимальной эффективности при проведении полевых работ применяется специальная аппаратура с программируемой автоматической коммутацией электродов [Griffiths and Barker, 1993; Бобачев и др., 1996; Dahlin, 2001]. Далее для краткости мы будем использовать термин многоэлектродная аппаратура.

Многоэлектродная аппаратура

Термин «многоэлектродная» часто путают с более привычным понятием «многоканальная», поэтому поясним эти термины.

Многоканальная аппаратура позволяет одновременно или последовательно измерять разность потенциалов на нескольких (8-24) приемных диполях, соединенных многожильным кабелем («косой»). Такой подход обычно используется при работах методом вызванной поляризации (ВП) и речных зондированиях (рис.1).

Рис. 1. Схема многоканальной аппаратуры.

В многоэлектродной аппаратуре тоже используется большой набор электродов (обычно от 48 до 96 штук), соединенных в виде электроразведочной косы. В отличие от многоканальных систем каждый электрод может использоваться не только как приемный, но и как питающий (рис. 2А). Таким образом, один раз установив и подключив электроды можно провести весь комплекс профильных измерений.

Рис. 2. А. Многоэлектродная аппаратура; Б. Многоканальная многоэлектродная аппаратура.

Стремление повысить производительность многоэлектродной аппаратуры привело к появлению многоканальных многоэлектродных станций (Syscal-Pro, Iris Instruments; SAS4000, ABEM). Такие комплексы позволяют одновременно получать значения разности потенциалов на нескольких приемных диполях (рис. 2Б). Число таких каналов невелико: от 4 до 10 штук, но такой подход дает принципиальную возможность увеличить скорость полевых наблюдений в число раз, соответствующее числу каналов. Кроме того, быстрые измерения открывают новые возможности для использования электроразведки при мониторинге различных геологических и технических процессов.

В таблице 1 приведены примерные производственные характеристики полевых работ с многоэлектродной аппаратурой при нормальных условиях заземления и типичном числе электродов в современной аппаратуре. 

Таблица 1. Примерные производственные характеристики полевых работ методом электротомографии с многоэлектродной аппаратурой.

Число 
электродов
Расстояние между 
электродами, м
Длина 
профиля, м
Интервал разносов (AB/2), м Примерное время развертывания установки Число измерений Время измерений методом сопротивлений
Одно-канальная станция 10-канальная станция SyscalPRO
48 4 188 6 — 94 40 мин 300 – 1000 30 минут – 1.5 часа 6 – 20 минут
10 470 15 — 235
96 4 380 6 — 190 1.5 часа 1000 — 3000 1.5 – 4.5 часа 20 минут – 1 час
10 950 15 — 475

Электротомография с одноканальной аппаратурой

Очевидно, что именно многоэлектродная аппаратура обеспечивает максимальную производительность при полевых работах методом электротомографии. Но, в тоже время, сегодня она практически не используется в практике отечественной инженерной геофизики. С оной стороны это связано с высокой стоимостью аппаратуры (40-100 тыс. долларов), с другой стороны пока довольно мало успешных примеров применения, из-за отсутствия аппаратуры. Чтобы разорвать этот замкнутый круг, нужно проводить работы со стандартной одноканальной электроразведочной аппаратурой. Методика такого подхода дана в статье Бобачев и др., 2006. Но этот подход имеет очень низкую производительность. Поэтому был разработан коммутатор «CОМx64», позволяющий добиться высокой производительности и при использовании одноканальной аппаратуры.

Идея этого подхода в том, что коммутируются только приемные электроды, соединенные косой (рис. 3). Питающий электрод переносится вручную. Это позволило создать простой и дешевый прибор (5 тыс. долларов, включая косы и электроды). Для эффективного использования коммутатора нужно использовать установки с неподвижными питающими электродами: трех электродная установка Шлюмберже или дипольная осевая.

Fig5_18

 

et2

Рис. 3. Установка для электротомографии на базе одноканальной установки.

Коммутатор «CОМx64» обеспечивает измерения с 64-канальными косами. При расстоянии между электродами 3 метра это позволяет использовать сетку разносов от 4.5 метров до 120 метров. Глубина исследования достигает 50 метров. Чтобы получить достаточную производительность полевых работ (200-400 метров в день), рекомендуется использовать шаг по профилю 6 метров, хотя возможен шаг и 3 метра. При этом число измерений на одном профиле длинной 200 метров от 500 до 1000 и зависит от интервала разносов.

Возможности измерителя тоже влияют на производительность труда. К сожалению, разработчики современной аппаратуры (особенно цифровой) уделяют мало внимания повышению скорости измерений, предпочитая повышать точность измерений. Однако, при 1000 измерениях в день увеличение времени каждого всего на 3 секунд приводит к дополнительному часу работы в поле.

Практическое использование предложенной схемы показало высокую эффективность измерителя «МЭРИ-24» и генератора «АСТРА» (ООО «Северо-Запад», г. Москва). Измеритель «МЭРИ-24» (многофункциональный электроразведочный измеритель) предназначен для регистрации электрического и электромагнитного полей при выполнении полевых геофизических работ. Обработка сигнала происходит непосредственно в измерителе — на выходе оператор имеет значения амплитуд нескольких гармоник измеряемого сигнала и дифференциальные фазовые параметры, рассчитанные между различными гармониками. Полностью цифровая обработка сигнала позволила добиться времени измерения менее 5 секунд, включая получение фазовых характеристик сигнала для определения поляризуемости горных пород.

Применение электротомографии

В нашей стране использование электротомографии рекомендовано Госстроем России (СП 11-105-97). Применение двумерной электроразведки целесообразно при всех детальных (масштаб 1:2000 и крупнее) геофизических исследованиях – при инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях, изучении геологического разреза на малых и средних глубинах при поисках и разведке полезных ископаемых, а также в менее традиционных областях применения малоглубинной геофизики – изучении археологических памятников, решении геоэкологических и других задач.

Для изучения геоэлектрических разрезов, значительно отличающихся от горизонтально-слоистых, применение электротомографии является необходимым условием для надежной интерпретации. Такое сложное строение обычно характерно для рудных зон и зон тектонических нарушений, оползней, насыпных и искусственных грунтов в зонах городской застройки, многолетнемерзлых пород, при крутом падании слоев и при наличии карста.

Практические примеры

Рассмотрим практический пример использования электротомографии. Исследования выполнены в карьере «Марганцевый», Кемеровская область для уточнения положения продуктивных жил. При работе использовался коммутатор «CОМx64», измеритель «МЭРИ-24» и генератор «АСТРА» (ООО «Северо-Запад», г. Москва). Так как работы проводились в карьере установку нельзя бы растянуть полностью. Поэтому при измерениях было задействовано только 48 электродов. По этой же причине глубина исследования была ограничена 25 метрами.

Рис. 4. Псевдо-разрезрезы кажущегося сопротивления и поляризуемости для прямой и встречной установок.

Полевые данные представлены в виде псевдо-разрезов кажущегося сопротивления, которые построены с учетом рельефа (рис.4). Эффективная глубина рассчитана по следующей формуле [Edwards, 1977]:

Большая разница в кажущемся сопротивлении для прямой и встречной установками указывает на то, что изучаемый разрез существенно отличается от одномерного.

Результат автоматической двумерной инверсии показан на рис. 5. На нем выделяется две зоны повышенной проводимости и поляризуемости, но разной вертикальной мощности, соответствующие рудоносным жилам.

Рис. 5. Результаты инверсии данных электрической томографии на карьере «Марганцевый».

Другой полевой пример это изучение строения острова на озере Тере-Холь (Республика Тыва). Измерения метом ВП не проводились. 

Рис. 6. Псевдо-разрезрезы кажущегося сопротивления и поляризуемости для прямой и встречной установок.

Полевые данные представлены в виде псевдо-разрезов кажущегося сопротивления, которые построены с учетом рельефа (рис.6). Измерения проводились при двух раскладках косы. Но месте контакта для установки AMN пропущена часть измерений.

Рис. 7. Псевдо-разрезрезы кажущегося сопротивления для прямой и встречной установок.

Результат автоматической двумерной инверсии показан на рис. 7. На нем хорошо виден слой мерзлых пород с неровной кровлей. На пикете 740 видна вертикальная проводящая зона. Эта зона проявилась и при сейсмических исследованиях на этом профиле.

Еще несколько примеров, не трубующих дополнительных комментариев:

КАРТИРОВАНИЕ РАЗЛОМОВ:

faults

ВНЕДРЕНИЕ СОЛЕНОЙ ВОДЫ В ПОРОДЫ:

soltwater

 

ПОИСК ПУСТОТ ДЛЯ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ:

archeology

ИЗУЧЕНИЕ СВАЛКИ:

trash

 

 

ФАЦИАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В АЛЛЮВИИ:

alluvium

 

3D ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИЯ:

3Dtomo

Заключение

Для изучения двумерных разрезов разработана и активно применяется методика электротомографии (табл. 2). Эта технология значительно расширяет область применения метода сопротивлений и вызванной поляризации, повышает точность, разрешающую способность и геологическую эффективность метода сопротивлений, позволяя проводить надежную интерпретацию для сложно построенных сред. Такое качество интерпретации во многих случаях недостижимо при использовании «классических» методов ВЭЗ и ВЭЗ-ВП.

Таблица 2. Сравнение «классического» метода ВЭЗ и электротомографии

методика Метод ВЭЗ Электротомография
аппаратура одноканальная обычно многоэлектродная
шаг по разносам логарифмический линейный
электроразведочная установка Шлюмберже или дипольная стандартные, произвольные или комбинирование установок
число измерений на одном профиле десятки и первые сотни сотни и первые тысячи
интерпретация одномерная 1D-2D (3D)

Литература

  • Dahlin, T., 2001. The development of DC resistivity imaging techniques. Computers & Geosciences 27, 1019–1029.
  • Griffiths, D.H., Barker, R.D., 1993. Two-dimensional resistivity imaging and modelling in areas of complex geology. J. Appl. Geophysics 29, 211–226.
  • Edwards, L.S., 1977. A modified pseudosection for resistivity and IP. Geophysics, 42, 1020-1036.
  • Loke, M.H. and Barker, R.D.. 1996a. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method. Geophysical Prospecting, 44, 131-152.
  • Loke, M.H., Barker, R.D., 1996b. Practical techniques for 3D resistivity surveys and data inversion. Geophysical Prospecting 44, 499– 523.
  • Ritz, M., Robain, H., Pervago, E., et al. 1999. Improvement to resistivity pseudosection modelling by removal of near-surface inhomogeneity effects: application to a soil system in south Cameroon. Geophysical Prospecting 47 (2): 85-101
  • Бобачев А.А., Марченко М.Н., Модин И.Н., Перваго Е.В., Урусова А.В., Шевнин В.А. Новые подходы к электрическим зондированиям горизонтально-неоднородных сред. // Физика Землию 1995 — N 12 — c.79-90.
  • Бобачев А.А., Модин И.Н., Перваго Е.В., Шевнин В.А. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред. М., 1996, 50 с. // Разведочная геофизика. Обзор. АОЗТ «Геоинформмарк». Выпуск 2.
  • Бобачев А. А., Горбунов А.А., Модин И.Н., Шевнин В.А.. Электротомография методом сопротивлений и вызванной поляризации. Приборы и системы разведочной геофизики. 2006, N02, 14-17.
  • СП 11-105-97. «Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть VI. Правила производства геофизических исследований» / Госстрой России. – М.: ПНИИИС Госстроя России, 2004. – 49 стр.

 

 →←