научная статья по теме ПОЛЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДИПОЛЯ, ПОГРУЖЕННОГО В НЕОДНОРОДНОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПОЛЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДИПОЛЯ, ПОГРУЖЕННОГО В НЕОДНОРОДНОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 4, с. 112-119

УДК 550.837

ПОЛЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДИПОЛЯ, ПОГРУЖЕННОГО В НЕОДНОРОДНОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО

© 2014 г. П. О. Барсуков, Э. Б. Файнберг

Центр геоэлектромагнитных исследований Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН,

г. Троицк E-mail: fain@igemi.troitsk.ru Поступила в редакцию 15.07.2013 г.

Во временной области анализируется поле вертикального электрического диполя (ВЭД), погруженного в неоднородное проводящее полупространство (море). В ближней зоне источника амплитуды электрических компонент поля пропорциональны проводимости среды в степени 3/2, а амплитуда магнитной компоненты — в степени 5/2. Все компоненты поля ВЭД после импульсного выключения тока источника убывают во времени как ~ 1/t5/2. Продемонстрирована возможность применения поля для оценок электрических свойств морского разреза.

Ключевые слова: электромагнитные поля, погруженный вертикальный электрический диполь, асимптотика, свойства, зондирование.

DOI: 10.7868/S0002333714040012

ВВЕДЕНИЕ

Теоретические основы и технологии выполнения методов электроразведки на суше разработаны и во всех деталях описаны в статьях, монографиях, учебниках и справочниках: [Wait, 1960; Жданов, 1986; Электроразведка, 1989; Кауфман, 2000; Светов, 2008]. В последние годы резко возрос интерес к морской электроразведке на шельфе. Особенностью морских зондирований является возможность свободно размещать зондирующие установки в толще морской воды и на дне моря. В терминах электроразведки это означает, что к хорошо уже изученным и применяемым на суше поверхностным источникам — горизонтальным электрическим и вертикальным магнитным диполям добавляются погруженные вертикальные электрические диполи, которые могут применяться в качестве источников и приемников.

В литературе [Chave and Cox, 1982; Светов, 2008; Key, 2009] изложены общие выражения для полей вертикального электрического диполя в слоистой среде, однако некоторые особенности поведения поля, в частности, в ближней зоне источника во временной области, исследованы недостаточно полно. Между тем, именно в этой нише можно ожидать максимальной чувствительности и разрешающей способности электроразведочных методов к исследуемым объектам. Восполнению этого пробела посвящена настоящая статья.

АСИМПТОТИКА ПОЛЕЙ В ОДНОРОДНОМ ПОЛУПРОСТРАНСТВЕ

Модель изучаемой установки представлена на рис. 1. Источник поля — вертикальный электрический диполь — ВЭД погружен в проводящую среду на глубину Н и отстоит от подошвы первого слоя на расстоянии й. Мощности слоев в разрезе — Н1, Н2, ..., НМ+1, проводимость — а1, а2, ..., <5М+1 (сопротивления — р1, р2, ..., рМ+1). На горизонтальном

Воздух ст = 0

Нф

■ j Т

ВЭД

■f

■Er

E

h1

ст1 = 1/P1

h2 CT2 = 1/P2

hN CTN = 1/PN

НМ + 1 ^ + 1 = 1/Рм + 1

Рис. 1. Вертикальный электрический диполь в слоистой среде.

r

z

h

d

расстоянии г от источника на глубине г установлен приемник, измеряющий три компоненты поля; в цилиндрической системе координат это электрические вертикальная Ег и радиальная Ег и азимутальная магнитная Нф компоненты.

Вследствие осевой симметрии задачи компоненты поля могут быть выражены через единственную компоненту Нф магнитного поля:

Ez = p(rotH) г

г, dHф

Er = -р-•

dz

pf i d<rH±)'

l r dr

H ф + дНф r dr

(1)

(2)

В квазистационарном приближении \йВ/&\ < < |а£], когда токи смещения малы по сравнению с токами проводимости, магнитное поле подчиняется уравнению

rot rotH + ц 0ст

5H dt

= 0.

(3)

Здесь — магнитная проницаемость вакуума, а — проводимость среды, р = 1/а — сопротивление, Б — электрическая индукция.

Векторное уравнение (3) для компоненты Нф имеет вид:

5 2HA

+ i H +

r dr

д 2H,

г + и = о.

дг г дг дz

В частотной области Н(1) = Нфехр(,'ю?) уравнение (4) имеет вид:

д2 Hф

dr2

д2 Hф

+ i H + ^

r dr dz

■ + /юц 0aH = 0.

(5)

P

Ev =

4лст

jX J^X r) dA(X, z)d X, (6)

J dz

Ez = p- jX2J0(Xr)A(k,z)dX,

H ф —

P ¡X J2(X r)A(X, z)dX, 4n J

(7)

(8)

A(X, z) =

X

G

m11 - x1 exp[-2m^h + d)]

G = x1(e-2mih - 1)e-mi(2d+h-z) + + x1(em - 1)e-mi(2d-h+z) + e-m|A-z|, используя рекуррентные соотношения:

■v _ mN+ipN+1 - mNpN xN = ,

mN+1p N+1 + mNp N

x _ a-i- mi-iPi-A-i

x¿-i --;—,

a-i + m-ipz-A-i

a¡_1 = p,m,[i + x ¡ exp(-2mh)], b¡_i = [i - x¡ exp(-2m¡h¡)],

Jk.

m

2 - k2, k2 = /йц0a,.

Для однородного полупространства с проводимостью а = а1 (Н1 ^ да, d ^ да) компоненты полей в частотной области можно выразить через элементарные функции:

Е'(ю)=

i - 3

(h - z)

LV

Ф

+ (kRi)2

Er (ю) = -Pz-4na

i -

Ri2 (h - z)

(kRi)

i - 3

(h -z) R2

2

2

Ri2

exp(-kRi)

Ri3 ,

r (h - z) 3 + 3kRi + (kRi)2

(4) x exp(-kRi) -

Ri2 Ri3

r (h + z)3 + 3kR2 + (kR2)2

i - 3

R22 (h + z)

R

LV

R

На границах слоев с разными сопротивлениями соблюдаются условия непрерывности полей Нф и Ег и плотности тока ] = аЕг.

В разрезе из N + 1 слоев, где 1-й слой имеет сопротивление р, и мощность к,, поля в любой точке первого слоя можно вычислить по формулам:

+ (kR2) Hф(ю) =

2 (

i -

V

Pl 4п

У

(kR2)

2

i - 3

(h + z) R

exp(-kR2)

2

■2 У

(h + z) R2

yj

exp(-kR2)l

- i + kRi

LRi Ri2

R3

exp(-Á:Ri) -

_r_ i + kR2

R, r2

exp(-kR2)

2

Временные /(?), I > 0 и частотные Е(р) отклики связаны преобразованием Лапласа:

ад

Р(р) = |/(t)exp(-pt)dt, р = ш

о

Некоторые пары функций Е(р) ^ /(?), необходимые для расчетов временных откликов, заимствованы из справочника [Диткин, Прудников, 1961]:

i e -kfp о 1 - erf I

Хe-^p ^-Xexpí-^

yfp 4ñt y 4t

0

0

0

е-Ыр ехр(_к_ ,

24П? I 4t 1

dH _ (t)

= P

(i + WP)

л/я

к 11 Г- 1 1 k2 1 L 2t3/2 4t5/2 J

4)

1 к3 Г к2 ^

4л/ПtV2 expI-4t J

/on(t) о

F (p)

= A- IX f1 - 3(h - z)

Ez (t)

erf

1

^ - 3Ф-А2'

-11 -

R12 (h - z)

R12

R12

exp(-V47j)

RljnT,

exp(-1/471) 2R13VnT13

1

1 -

3(h + z)

2\

R3.

+(1-

f

R

erf

■2 У

3(h + z)

R

2

+

1 -

(h + z)

2

R

f _x_4 2JT2,

exp(-1/472)

R23VnT2

exp(-V4T2)

2

E, (t) = ^ fc) 4na[ R5

_ exp(_i/47i)f3 + j_'

(h + z)

R5

3erf

л/ПТ1 ^ 2T1 _ exp(-V4T2)/

J -JkT2

' 1 ^

3 +-!-2T2

2

dt z 16тсл/яр 0ст

exp(- 1/4T1) - exp(-V4T2)

rT'2

R^2

T1 =

T2 =•

Отклик на ступенчатое включение поля Рх(0 = = Рх1(0, где 1(/) — единичная функция Хэвисайда, находится из соответствующей пары преобразований Лапласа после деления частотного отклика на частоту р:

P0CTR1

x

erf(x) = - [exp(-t2)dt — функция ошибок. П J

На ранних временах I ^ 0 при условии г > ^//(р0о), т.е. в дальней зоне источника, электрические Ег, Ег и магнитное Нф поля стремятся к своим установившимся значениям, которые можно определить из частотных характеристик при ю ^ 0,

а отклик на ступенчатое выключение поля вычисляется как

/off(t) = F(0) - /on(t),

где F(0) — значение частотного отклика на нулевой частоте p ^ 0.

Временные отклики на выключение поля в ВЭДе при t > 0 выражаются через специальные функции:

Ez(t) ^ Pz-±-4п-

/

х

LR13

1 -

3(h - z) R1

2\

1 R2

1 -

3(h + z)

2\

R2

yj

Er (t) ^ Pz

4ko

h - z h + z

R15

R

2

dHf ^ 0, H+(t) ^ Pz r

dt 4n

J___

R13 R.

2 j

Амплитуды электрических компонент поля пропорциональны сопротивлению полупространства р = 1/а, а магнитное поле Нф не зависит от сопротивления и определяется лишь геометрическими параметрами установки.

В ближней зоне источника г < //(р0о) на поздних временах I ^ да и Н > z > 0 имеем:

Ez (t) ^

Er (t) ^

D 5/2 3/2

-Pz M 0 g 20пл/П t5/2

D V2 3/2

-Pz M 0 g 40пл/П t5/2

p M5/2g 5/2

hz,

rh,

(9)

H*(t) rhz,

40пл/П t5/2

HO v -P. M0 g

5/2 5/2

dt

1бп4П t7/2

-rhz.

Таким образом, в ближней зоне источника электрические поля пропорциональны проводимости в степени 3/2, а магнитное поле — проводимости в степени 5/2. Вертикальная компонента поля Ег не зависит от разноса г и равна нулю на поверхности z = 0 полупространства. Радиальная компонента Ег пропорциональна разносу г и глу-

0

1000 Р

1

0.01 0.1 1 10 0.1 1 10 0.1 1 10 Время, с Время, с Время, с

Рис. 2. Зависимости кажущегося сопротивления от разноса для Ег, Ег, Еф компонент ЭМ поля. Индексы кривых соответствуют разносу г (км). Пунктирными линиями обозначены отрицательные значения. Модель полупространства: к-1 = 50 м, р1 = 0.3 Ом м, Р2 = 2 Ом м.

бине погружения ВЭД к и не зависит от глубины точки приема поля г, т.е. одинаково как на поверхности полупространства г = 0, так и на любой глубине г < к. Компоненты Е и Нполя убывают во времени как 1/?5/2 .

В методах зондирований во временной области результаты удобно представлять в виде кажущихся сопротивлений. Для всех компонент поля кажущееся сопротивление в нормировке ближней зоны зондирований можно вычислить по формулам, вытекающим из (9):

1000

е

й 100 <ч

В

о

р

С

о

с

« 10 с е е

св

Ег(0

к = 400 м

........I ........I ........I

1

0.01 0.1 1 Время, с

"|2/3

Ег(0

к1 = 400 м

_1..........I..........■.........

1бпл/Л г7/2 dHф(0/dt Нф(о

100

......... ......... .........

10 0.1 1 10 0.1 1 Время, с Время, с

10

(10)

Рис. 3. Зависимости кажущегося сопротивления от мощности первого слоя для Ег, Ег, Еф компонент ЭМ поля для фиксированного разноса г = 1 км. Индексы кривых соответствуют мощности к1 (м). Пунктирными линиями обозначены отрицательные значения. Модель полупространства: р^ = 0.3 Ом м, р2 = 2 Ом м.

100 Г

<0 S

я о

4 <ч

5

о 10

л

С

о

о «

о о о

св

а

1

0.01 0.1 1 Время, с

т

......... ......... .........

#ф(0

......... ......... .........

10

0.1 1 Время, с

10

0.1 1 Время, с

10

Рис. 4. Зависимости кажущегося сопротивления от глубины залегания 20 Ом м 100-метрового слоя. Индексы кривых соответствуют мощности к2 в километрах. Пунктирными линиями обозначены кривые, соответствующие полупространству в отсутствие слоя. Модель полупространства: р^ = 0.3 Ом м, р2 = 2 Ом м, рз = 20 Ом м, Р4 = 2 Ом м, к^ = 100 м, кз = 100 м. Разнос г = 250 м.

СЛОИСТОЕ ПОЛУПРОСТРАНСТВО

В слоистой среде поля вычисляются через квадратуры (6)—(8) численными методами ^оЪапзеп, Sorensen, 1979]. Для анализа свойств ЭМ полей, возбуждаемых ВЭД, рассмотрим упрощенную модель в виде двуслойного полупространства к2 ^ да при положении ВЭД и приемников поля

на подошве пер

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком