Электроразведочные установки. Расчет параметров электроразведочных установок в методах сопротивлений

Реферат

Электроразведочные установки. Расчет параметров электроразведочных установок в методах сопротивлений

2010

Содержание

Введение

1. Электроразведочные установки

1.1 Установки типа симметричных

1.2 Дипольные установки

1.3 Установки срединного градиента

1.4 Фокусированные установки

2. Сущность метода сопротивлений

3. Индивидуальные задания

Список использованной литературы

Введение

Методы сопротивления широко применяются при поисках и разведке разнообразных полезных ископаемы, а также для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач.

Благодаря тому, что в измерительных установках питающие и питательные электроды могут располагаться по разному, эти методы имеют много модификаций, которые составляют две большие группы - электропрофилирование (ЭП) и электрозондирование (ЭЗ). В ЭП исследуется характер изменения изучаемо параметра вдоль линии наблюдения (профиля) или в пределах определенной площади по заданной сети. Размеры и тип установки при этом остаются неизменными. При ЭЗ изучается изменение внутреннего параметра с глубиной в конкретной точке земли, положение центра установки при этом остается неизменным.

Требования к качеству электроразведочных работ непрерывно повышаются, в связи с необходимостью решений все более сложных геологических задач. На первый план при этом выдвигаются вопросы правильного обоснования метода и модификаций электроразведки, типа и размеров электроразведочной установки, конструкция электродов и числа батарей в питающей цепи, а также используемая при этом аппаратура. Все эти вопросы должны быть научно обоснованы и рассчитаны.

1. Электроразведочные установки

Электороразведочной установкой называется совокупность используемых взаимных расположений питающих А и В к приемных M и N электродов (рис. 1), где длина питающего диполя АВ определяет глубину проникновения электрического поля в землю, а длина приемной линии MN - величину измеряемой разности потенциалов, то есть величину ДU_MN.

Зная величины ДU_MN, J_АВ, и К вычисляют удельное электрическое сопротивление геологической среды с_к по формуле:

с_к = К* ДU_МN / J_AB, (Ом м)(1.1)

где К - коэффициент электроразведочной установки, который зависит от расстояния между электродами A, M, N, B и от взаимного их расположения. В общем случае для четырехэлектродной установки (рис 1) К рассчитывают по формуле

Рис 1. Принципиальная схема установки для работы методом сопротивлений.

К=2р/(1/r_AN-1/r_BM+1/r_BN), (м) (1.2)

Дли определения с_к, ( в Ом м) согласно схеме на рис. 1 необходимо измерить разность потенциалов ?U (в мВ) между двумя точками профиля М и N, в которых расположены приемные электроды, разделить её на ток J (в мА),протекающий через питающую линию АВ, и полученное значение умножить на К (формула 1.1).

Электрический потенциал и напряженность электрического поля, создаваемые полусферическим точечным заземлением в однородной и изотропной среде, определяются формулами:

U = с_к * J /2рr(1.3);

E = с_K*J/2nr²(1.4).

где r - расстояние от питающего заземления до точки исследования (в м).

В измерительных установках питающие и приемные электроды могут располагаться по-разному, образуя различные типы установок. Вид электроразведочной установки определяет разновидность метода сопротивлений, решаемые геологические задачи и тип используемой аппаратуры.

Все известные электроразведочные установки можно разделить на 4 группы:

установки типа симметричных;

дипольные;

установки срединного градиента;

фокусированные.

Если расстояние между приемными электродами r_MN достаточно мало, отношение ?U_MN / r_MN стремится к величине E_MN (проекции электрического поля на линию MN) в точках измерения. Такие измерительные установки называются предельными. Они позволяют измерять электрическое поле Е на поверхности земли:

E_MN ⁼ ?U_MN / r_MN,(1.5)

1.1 Установки типа симметричных

Установки типа симметричных (электроды А и В, М и N располагаются на одной линии (профиля)

Прямолинейная четырехточечная установка AMNB, в этой установке все электроды располагаются по одной линии (рис. 2.1). При лом обычно измерительные электроды размещаются в пределах средней трети отрезка АВ, поскольку в этом случае установка близка к предельной.

Симметричная четырехточечная установка AMNB в настоящее время является наиболее распространенной. В ней приемные заземления расположены на прямой, соединяющей питающие заземления симметрично относительно центра отрезка AВ (рис. 2.4).

Если расстояние между приемными заземлениями r_MN меньше одной трети расстояния между питающими заземлениями r_AB (r_MN < 1/3 АВ), такая установка называется установкой Шлюмберже, при этом условии отношение ?U_MN / r_MN можно с достаточной точностью считать равным напряженности электрического поля в центре установки, т.е. считать её предельной.

Если r_AM = r_MN = r_NB = а, то такая установка называется установкой Венера (рис. 2.3).

3.Дивергентная установка AMONB. Простейший вид её показан на рис.2.6. От симметричной она отличается тем, что в неё добавлен ещё один измерительный электрод О в центре установки. Это позволяет измерять не только разность потенциалов ?U_MN, но и разности потенциалов ?U_MO и ?Uon. Очевидно, что при этом разность ?U_M0 - ?U_0N,отнесенная к расстоянию r_MN; пропорциональна второй производной потенциала в середине установки. Если к измерительным электродам MON добавить пару M'N' электродов, расположениях по линии, проходящей через точку О ортогонально к линии MN, мы получим дивергентную установку для измерения двух вторых производных потенциала по ортогональным направлениям. Из теорий известно, что сумма этих вторых производных равна (со знаком минус) дивергенции горизонтальной составляющей вектора электрического поля Е:

(1.6)

Именно поэтому, данная установка получила название дивергентной (рис. 2.7).

4. Трехточечная установка AMNB_? (рис. 2.8) получается на практике, если электрод В удален настолько далеко от точек измерения, что создаваемое им электрическое поле пренебрежительно мало по сравнению с полем электрода А. Обычно это наступает при отношении ВО/АО > 5 раз.

Предельная трехточечная установка называется установкой Гуммеля. Для неё формула вычисления электрической составляющей поля записывается как

E_MN = J·с/2рr²(1.7)

где r - расстояние от точки А до точки измерения поля 0.

5. Двухточечная (потенциальная) установка AM, N_? В_? (рис. 2.10) получается из трехточечной, если измерительный электрод N также отнести в бесконечность (на практике это означает, что электрод N располагают столь далеко от источника тока А, чтобы потенциал точки N был бы близок к нулю). Это условие выполняется в случае, если отношение АН/AM больше 5. Следовательно, двухточечная установка позволяет измерять непосредственно потенциал точки М (этим и определяется её название). В частности, на поверхности однородной земли

U_M =J*с/2рr

К=2р*r, где r = r_АМ

Рис 2. Разновидности установок типа симметричных

1.2 Дипольные установки

Дипольные установки - это такие, у которых измерительная линия MN (приемный диполь) вынесена за пределы питающего диполя АВ и может быть произвольно ориентирована на него.

Существует несколько модификаций таких установок (рис.3), среди которых в зависимости от угла и между осью питающего диполя АВ и радиусом-вектором r, соединяющим центры диполей, а также от угла в между осью измерительного диполя MN и r.

Различают:

1. Радиальная установка (0<и<90, в=0);

2. Азимутальная (0<и<90, в=0);

3. Осевая (и=90, в=90);

4. Экваториальная(и=90, в=0);

5. Параллельная (0<и<90, в=0);

6. Перпендикулярная (0<и<90, в= и+0).

Расстояние r = r_o1o2 между центрами питающего и измерительного диполей называется разносом дипольной установки. Величина разноса r (аналогична длине АВ/26 установках первой группы) определяет глубину исследований с дипольной установкой. Коэффициент любой дипольной установки можно вычислить по формуле (1.2)

Рис 3. Разновидности установок типа дипольных

1.3 Установки срединного градиента

Установки срединного градиента получаются в том случае, когда положение питающих электродов А и В фиксировано, т.е. они в процессе съемки остаются неподвижными, а приемные заземления и перемещаются вдоль профилей, параллельных линий АВ. Совокупность этих профилей образует планшет. Длина каждого профиля не должна превышать 0.5 расстояния АВ. Планшет, состоящий обычно из 5+20 профилей, располагают таким образом, чтобы его центральный профиль совпал с линией АВ (рис 4), а расстояние от центрального до крайних профилей не превышало половины расстояния АВ. После окончания измерений на первом планшете П₁ питающие заземления перемещают во второе положение А₂В₂ так, чтобы смежные планшеты П₁ и П₂ должны перекрываться крайними профилями. Схема перемещения СГ установки на рис. 5. При съемке срединных градиентов с_к вычисляют по формуле (1.1); коэффициент установки определяют из выражения (1.2) или по приближенной формуле:

Обозначения принятые в этом выражении поясняются на рис 6.

Рис 4. Установка срединных градиентов

1.4 Фокусированные установки

Фокусированные установки получаются в том случае, когда питающие АВ и приемные MN электроды расположены на одной линии, чередуясь между собой.

Если расстояния АВ и MN равны между собой, то установка относится к фокусированной симметричной, если же эти расстояния не разам, то установка является просто фокусированной.

Коэффициент установки определяют из выражения (1.2).

Электроразведочные работы со всеми вышеперечисленными установками можно проводить как на постоянном, так и на низкочастотном переменном токе, используя для этого специальную аппаратуру.

2. Сущность метода сопротивлений

Электрическое поле в методе сопротивлений создается искусственным путем при помощи питающих заземлений А и В, через которые пропускают в землю электрический ток (J_AB). При помощи приемных заземлений М и N, подключенных к измерительному прибору, получают ?U_MN. Затем по формуле (1.1) вычисляют р_к. Методы электроразведки, в которых сведения об удельном электрическом сопротивлении среды получают таким образом, относятся к методу сопротивлений.

Наблюдая на поверхности земли распределение р_к, можно решать различные геологические задачи. Ток в линии АВ можно применять как постоянный (=J), так и переменный (~J), низкочастотный. Отсюда два типа используемой аппаратуры:

а)аппаратура на постоянном токе:

ЭП-1 (электроразведочный потенциометр);

ЭСК-1, ЭСН-2 (электронно-стрелочный компенсатор);

АЭ-72 (автокомпенсатор электроразведочный);

аппаратура серии ЭПО (электроразведочные полевые осциллографы -оптическая регистрация J_AB и ?U_MN на движущуюся фотобумагу при помощи специальных гальванометров 9,2; ЭО-1; ЭО-2; ЭО-3; ЭПО-4; ЭПО-5; ЭПО-6; ЭПО-7Б; ЭПО-7М; ЭПО-8; ЭПО-9; ЭПО-10).

б)аппаратура на переменном токе:

- АНЧ-1 (аппаратура низкой частоты (частота 20±1 Гц):

- ИКС-1, ИКС-50, ИКС-600 (измерители кажущихся сопротивлений с генераторами мощностью 1,50 и 600 В А, частота 22,5 Гц):

- АНЧ-3 (аппаратура низкой частоты, рабочая частота 4,88 Гц, мощность переносного генератора - 20 ВА, стационарного - 300 ВА).

В качестве источников питания линии АВ используются специальные электроразведочные батареи (69-ГРМЦ-6, 29-ГРМЦ-13), а при работе с небольшими электроразведочными установками (АВ до 500 м) и в труднопроходимых районах могут использоваться облегченные батареи сухих элементов (100-АМЦГ- 2,0; 102-АМЦГ - У-1.0 и др.).

Соединительные провода-легкие провода полевой связи в хлорвиниловой изоляции (при работе с АВ до 500 м), а также специальные геофизические провода и кабели типа ГПСМО и ГПСМП (табл. 2).

Электроды в питающих линиях железные (стальные) стержни диаметром 15ч20 мм и длиной 0,7ч1,5 м, в измерительных линиях - медные (латунные) стержневые и трубчатые электроды диаметром 10ч15 мм и длиной 0.5ч0..7 м.

Вспомогательное оборудование и снаряжение включает агрегаты для оборудования заземлений, электроразведочные катушки, кувалды, полевые вилки, клеммы, изоляционный материал и ремонтный инструмент.

Подготовка к полевым работам методами сопротивления заключается в проверке аппаратуры и оборудования (по соответствующей инструкции для каждого прибора) и создание монтажных схем измерительных установок. Размеры последних должны быть оптимальными, т.е. такими, чтобы полезные аномалии четко отмечались на фоне аномалий - помех и позволяли при минимальных затратах времени и средств решить поставленную задачу. Размеры измерительных установок определяются на основании опытных работ для конкретных геологических условий. В табл.1 приводится зависимость между размерами питающих АВ и приемных MN линий для различных видов электропрофилирования.

3. Индивидуальные задания

Задание 1. Рассчитать число и конструкцию заземлений для установки АВ=80 м, MN=20 м, если сопротивление поверхностного слоя р_П~40 Омм, а ожидаемое р_к= 180 Ом-м.

Работы будут выполняться с аппаратурой АЭ-72, и для обеспечения необходимого качества измерений примем, что минимальная разность потенциалов 10 мВ.

Расчеты

Расчитываем коэффицент установки К, м.

Определим силу тока в цепи АВ (Jab)

Выберем одну батарею 69-ГРМЦ-6 с параллельным подключением секции

J=0.5 А и U=69 В

Зная силу тока Jab и напряжение батареи Uбат рассчитываем необходимое сопротивление линии AB

С учетом сопротивления проводов (Rпр), а также внутреннего сопротивления батареи (Rбат) полное сопротивление линии AB составит Rп=Rab= 5307.69 Ом, а сопротивление полулинии

Ra=Rb== 2653,84Ом

Заземление А и В осуществляется при помощи стержневых электродов. Рассчитаем переходное сопротивление заземление (Rзаз) одного электрода:

a=0,7м, b=0,01м

Сравним Rзаз с Ra и Rb и рассчитаем число электронов в каждом заземлении Ra=Rb=Rзаз/n, отсюда n=Rзаз/Ra

Ra=Rb=Rзаз/n=Ом

Список использованной литературы

Блок И.М. Электропрофилирование методом сопротивлений. - М.: Госгеолтехиздат, 1962. - 240 с.

Бобровников Л.З., Орлов Л.И., Попов В.А. Полевая электроразведочная аппаратура: Справочник. - М.: Недра, 1986, - 223 с.

Жданов М.С. Электроразведка: Учебник для вузов.-М.: Недра, 1986.-316 с.

Инструкция по электроразведке. /М-во геологии СССР. - Л.: Недра, 1984. 352 с.

Корниенко В.П. Руководство к практическим занятиям по электроразведке: - Учебное пособие. - 2-ое изд. перераб. и доп. - М.: Недра, 1987. - 184 с.

Унгерман М.Н., Левицкий Л.П., Шерешевский С.Я. Оператор электроразведчик: Справочник. - М.: Недра, 1989. - 220 с.

Электроразведка рудных полей методом заряда. /М.В. Семёнов, В.М. Сапожников и др. -Л.: Недра, 1984. -216 с.

Электроразведка: Справочник геофизика. - М.: Недра, 1978. - 518 с.

Электроразведка: Справочник геофизика. В двух книгах. /Под ред. В.К. Хмелёвского и В.И. Бондаренко - 2-ое изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1989.-438.-378 с.

Ю.Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л.Электроразведка: Учебник для техникумов.

5-ое изд., переаб. и доп. - М.: Недра, 1988. -395 с. П.Якубовский Ю.В., Ренард И.В. Электроразведка: Учебник для вузов. - 3-еперераб. и доп. - М: Недра, 1991.- 359 с.