научная статья по теме ВОЗБУЖДЕНИЕ ПОЛЕЙ В ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВОЗБУЖДЕНИЕ ПОЛЕЙ В ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2007, № 5, с. 88-99

УДК 550.837.6

ВОЗБУЖДЕНИЕ ПОЛЕЙ В ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

© 2007 г. В. С. Могилатов, В. В. Потапов

ИГФ СО РАН, г. Новосибирск Поступила в редакцию 29.08.2005 г.

Обсуждаются предпосылки и возможности расширения экспериментальной базы геоэлектрики с контролируемыми источниками. Как резерв, рассматриваются нестационарное поле электрического типа (Е-поле, Е-мода, поперечно-магнитное, ТМ-поле) и технические средства его возбуждения. В качестве приложения приводится в компактной форме математический аппарат зондирований становлением для произвольного источника двумя способами, приводящими к интегралу Фурье и (при некоторых ограничениях) к ряду Фурье.

PACS: 91.25.Qi

Прогресс в геоэлектрических исследованиях (и, соответственно, в электроразведке) с управляемыми источниками, разумеется, зависит от развития средств и способов возбуждения электромагнитного поля. Традиционно используются в качестве источников поля горизонтальная заземленная линия и незаземленная петля, а основной поток новаций (кроме очевидно технических) по нашему впечатлению направлен на совершенствование способов и средств интерпретации (новые модели сред и процессов взаимодействия среды и поля). Между тем, использование только упомянутых традиционных источников (в гармоническом или импульсном режиме) ограничивает использование принципиальных возможностей индукционных зондирований.

(а)

Для пояснения этого тезиса рассмотрим поле заземленной электрической линии в режиме постоянного тока. Такой источник создает в земле распределение электрического поля, которое, собственно, и используется в методах постоянного тока, но также имеется практически независимое от геосреды и никак не используемое в этих методах постоянное магнитное поле токового отрезка (рис.1а). Соответственно, при выключении тока в источнике, в земле возбуждаются два переходных процесса - установление (затухание) изначального распределения тока и индуктивное возбуждение и последующее затухание вихревого тока. Другими словами, речь идет об установлении поля электрического типа (Е-поле, ТМ-поле) и поля магнитного типа (Н-поля, ТЕ-поле).

(б)

Время, мс

и Е-поля в общем сигнале АП для установки ЛБММ.

Здесь, как и в дальнейшем, мы подразумеваем горизонтально-слоистый разрез как базовую единую модель среды для анализа процессов распространения электромагнитных полей в Земле и особенностей отдельных способов зондирований. Также можно пояснить, что мы преимущественно пользуемся контекстом структурной электроразведки методом становления.

Хорошо известно, что компоненты устанавливающегося поля заземленной линии в поздней стадии зависят от суммарной продольной проводимости разреза и спад происходит по степенному закону - все, в основном, так же как и для поля петли (которая является источником поля чисто магнитного типа). Вполне может сложиться мнение, что это происходит просто из-за схожего поведения Е- и Н-полей. Однако причина другая -Е-поле затухает много быстрее (экспоненциально в среде с изолирующим основанием) и в суммарном поле остается только Н-поле. Свойства Е-поля совершенно иные, в частности, процесс становления всегда зависит от вертикальной структуры среды и определяется как продольными, так и поперечными сопротивлениями на всех стадиях процесса. На рис. 16 представлены для режима становления относительные вклады Н-поля и Е-поля в суммарное поле для установки ЛБМЫ. В начальной стадии вклады примерно одинаковы и имеют разные знаки, в последней стадии поле горизонтального электрического диполя определяется становлением поля магнитного типа (среда - проводящий слой на изолирующем основании - на рис. 16).

Чтобы в поздней стадии становления иметь значительный вклад поля электрического типа, нужна весьма специальная конфигурация возбуждающего стороннего тока. Но поскольку применение линии и петли является экспериментальной основой индукционной геоэлектрики с контролируемыми источниками, то приходится констатировать, что такие геоэлектрические исследования носят односторонний характер, поскольку используют только поле магнитного типа.

Развивая эту мысль применительно к электроразведке, можно сказать, что когда стали использовать гармонический или импульсный режим источника вместо постоянного, то это была не только смена режима и не столько, а это обернулось сменой типа используемого поля. Мы, конечно, получили удобства применения незаземля-емого источника (петли) и возможность индуктивного проникновения в подэкранную толщу, но все-таки, - был ли это безусловный прогресс? Методы постоянного тока, использующие Е-поле, хотя и постоянное, вовсе не умерли, но, напротив, успешно развиваются в многоэлектродные системы. Можно только еще заметить, что механическое (без должного "Е-Н-анализа") применение

гармонического или импульсного режима питания в таких системах вряд ли пойдет им на пользу.

Характерные свойства Е-поля в процессе становления впервые заявили о себе еще в известной работе [Тихонов, Скугаревская, 1950], в которой обнаружилась экспоненциально затухающая со временем составляющая в ^-компоненте вектора-потенциала. Поскольку авторов интересовала поздняя стадия становления поля, возбуждаемого горизонтальным электрическим диполем, то такой составляющей они пренебрегали и физическая подоплека не обсуждалась. В дальнейшем сложившаяся практика применения линии и петли для зондирований становлением долгое время держала "в тени" переменное поле электрического типа, мотивы и возможности его использования.

Мы здесь напоминаем, если в этом есть необходимость, что поля магнитного и электрического типа есть "равноправные" объективные реальности, форма существования электромагнитного поля в слоистой одномерной земле и взаимодействия с нею. Возбуждение каждой из поляризаций электромагнитного поля связано с геометрией среды (здесь пользуемся для простоты только горизонтально-слоистой моделью) и со свойствами источника (стороннего тока). Разумеется, в теоретическом отношении ситуация хорошо известна. Можно сослаться здесь на известные работы [Дмитриев, 1968; Табаровский, 1975; Романов, Ка-банихин, 1991]. Однако наиболее последовательно в общем теоретическом отношении эта проблема в связи также с проблемой скаляризации задач геоэлектродинамики в различных системах координат, в связи также со свойствами стороннего тока, исследована в цикле работ Б.С. Светова и В.П. Губатен-ко, завершенном наиболее полной работой [Све-тов, Губатенко, 1988].

Авторы статьи лишь развивают прикладные аспекты этой "дуальности" геоэлектромагнитного поля и настойчиво (иногда и демонстративно) реализуют ТЕ-ТМ-симметрию при формальном описании контролируемой индукционной (в частности, импульсной) наземной геоэлектрики, а также и на практике, предлагая новые технические и методические решения.

Итак, предусмотрим все многообразие возможных различных питающих установок, располагаемых на дневной поверхности, введя распределение поверхностной плотности (в А/м) стороннего тока, меняющегося синхронно - jст(x, у)щ($. Такое описание источника включает в себя традиционные питающие установки, образованные отрезками провода и точечными заземлениями, но также и менее привычные установки с распределенными проводниками и заземлениями. Например, для двух основных источников в наземной электроразведке - горизонтальная заземленная по кон-

П

Линия АВ

кэд

Рис. 2. Индуктивный (петля), гальванический (КЭД) и смешанный (линия AB) источники.

Градиент (Er в В/м) 10-4-

10-5 10-6 10-7 10-8 10-9

10

10

100

трехслойная среда

- вэд

- - - кэд

101

102

103

Время, мс

Рис. 3. КЭД и ВЭД в трехслойной среде.

цам линия (ГЭЛ) и токовая петля - поверхностная плотность определяется следующим образом:

ГЭЛ - л (x, y) = = I5(y)[U(x + dx0/2) - U(x - dx0/2)],

петля - j™ (r) = 18( r - a),

(1)

(2)

где и(х) - функция Хевисайда, 5(x) - дельта-функция Дирака, dx0 - длина ГЭЛ, a - радиус токовой петли. Примем в качестве базовой модели среды одномерную, горизонтально-однородную модель и применим уравнения Максвелла с соответствующими условиями. Напомним, что поле электрического типа определяется отсутствием вертикальной компоненты магнитного поля, а поле магнитного типа - отсутствием вертикальной электрической компоненты. Поэтому, сведя задачу к определению вертикальных компонент, мы легко (подробно в ПРИЛОЖЕНИИ, а также в работе [Могила-тов, 1998]) получим решение для любой компоненты поля (Рк = Ex у, Нх, у, г) в виде линейного двучлена вида

Рк = Р{ акР*{ аху Г } V + ЪкР*{ го!г Г } X}, (3)

где Р {} и Р* {} означают прямое и обратное линейные преобразования по латеральным координатам и несущественны для дальнейших рассуждений.

Таким образом, поле определяется двумя независимыми функциями, V и X - решениями двух разных краевых нестационарных задач. Вклад каждого решения определяется конфигурацией источника (стороннего тока) посредством значений функций агуjст(x, у) и го^ст(х, у). Понятно, что одна составляющая определяется током, стекающим с заземлений (возбуждается гальваническим путем), а другая составляющая зависит от вихре-

вой компоненты в распределении стороннего тока (возбуждается индуктивным путем). Речь идет о том, что в горизонтально-слоистой среде имеет место разделение общего поля на Е- и Н-составляю-щие (поперечно-магнитные и поперечно-электрические поля, ТМ (transverse magnetic) и ТЕ (transverse electric), поле электрического типа и поле магнитного типа (Е- и Н-моды). Итак, физико-математические основы индукционной электроразведки с контролируемыми источниками двуедины и симметричны по отношению к полям электрического и магнитного типов.

Такая точка зрения требует дополнить традиционный арсенал электроразведки источником, симметричным токовой петле - возбудителем чистого ТМ-поля. Как следует из (3), такой наземный источник ТМ-поля должен удовлетворять условию rotzjCT = 0 и это можно реализовать набором радиальных токовых линий (круговой электрический диполь - КЭД, рис. 2). Эта питающая установка - практически единственное средство возбуждения с дневной поверхности поля чисто электрическо

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