Прямая задача высокочастотных электромагнитных зондирований квазигоризонтальных тонкослоистых сред : Прямая задача георадара

• Автор: Геник, Иван Васильевич
• Шифр специальности: 04.00.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 119 с. : ил.

ОГ ДАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ПРЯМЫХ ЗАДАЧ
ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
1.1.Основные электромагнитные характеристики вещества
1.2.Частотная зависимость электрических свойств
1.3. Методы решения прямых задач для высокочастотного
электромагнитного поля
1.3.1. Решение прямых задач во временной области
1.3.2. Решение прямых задач в частотной области
2.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД,
АППРОКСИМАЦИЯ ЧАСТОТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
2.1. Электрические параметры горных пород в переменных высокочастотных электромагнитных полях
2.2. Оценка характера распространения электромагнитных волн в соляных толщах
2.3. Аппроксимация частотных зависимостей электрических характеристик пород
3.ВЫЧИСЛЕНИЕ ОТРАЖЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
3.1. Постановка задачи и метод решения
3.2. Система программ решения прямой задачи "Георадар"
3.2.1. Общая характеристика
3.2.2. Работа блоков системы
3.3. Исследование особенностей отраженных сигналов
4. РАСЧЕТ ВРЕМЕННЫХ ГЕОРАДАРНЫХ РАЗРЕЗОВ
4.1. Создание физико-геологических моделей разрезов
4.2. Волновые картины, получающиеся для зон трещиноватости
4.3. Временные разрезы при латеральном изменении электрических свойств слоев
4.4. Расчет георадарных разрезов для моделей с переменной мощностью слоев
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ,
Актуальность проблемы. В современных условиях внимание к высокочастотным электромагнитным методам, в которых используются отраженные сигналы, связано с возможностью детального изучения массивов горных пород. Перспективными для применения георадара являются среды, обеспечивающие значительную глубинность исследований. К таким средам, в частности, относятся соляные толщи. Их составляют пласты карналлита, сильвинита, каменной соли, характеризующиеся малым затуханием, и резко отличающиеся от этих пород по электромагнитным свойствам прослои глин. Вследствие тонкослоистого строения соляных массивов, зависимости электрических параметров от частоты приложенного поля и различных петрофизических факторов (состав, пористость, минерализация водных растворов и др.), регистрируемые отраженные сигналы характеризуются значительной сложностью. Поэтому основная трудность при георадарных работах в подземных условиях заключается в интерпретации отраженных сигналов, поскольку используемые модели слоистых сред часто не позволяют проанализировать регистрируемые волновые картины, так как решения прямых задач найдены лишь для относительно простых случаев (Богородский, 1983, 1987; Финкелыптейн, 1977,1984,1986,1994; Кондратьев, Чернышев, 1994; Кабанихин, 1990; Сагсюпе, 1996; Хи, МсМесЬап, 1997). В связи с вышеизложенным, Верхнекамское месторождение солей (ВКМС) может рассматриваться в качестве нового, перспективного объекта для подземных георадарных исследований, а актуальность решения прямой задачи высокочастотного электромагнитного зондирования состоит в том, что таким образом создается основа содержательной интерпретации реальных сигналов, получаемых в тонкослоистых соляных массивах.
Авария на калийном руднике БКРУ-3 (г.Березники), приведшая к его затоплению, вскрыла целый комплекс проблем в деле геофизического обеспечения безопасного ведения горных работ. Для ВКМС и до настоящего времени актуальной остается проблема изучения вертикальной и латеральной изменчивости физических и, в частности, электрических параметров пород водозащитной толщи в различных горно-геологических условиях, как базы для проведения работ по обеспечению системы разработки, использования выработанного пространства и охраны недр.
В комплексе применяемых в подземных условиях Верхнекамского месторождения геофизических методов высокочастотная электроразведка и, в частности, георадар до настоящего времени практически не использовались. В то же время, на других месторождениях водорастворимых руд (например, в

Германии и Канаде) начинают широко проводиться радарные исследования геологических сред
С применением высокочастотных методов в рудничных условиях ВКМС могут решаться задачи по изучению особенностей строения подстилающей каменной соли, продуктивных калийных пластов, междупластий и целиков.
Существуют различные способы применения георадара. Наиболее распространенным является зондирование. Приведенные в литературе данные позволяют заключить, что при решении прямой задачи для высокочастотного электромагнитного зондирования целесообразно применение квазигоризон-тально-слоистой модели среды, аппроксимирующей реальный разрез в окрестности точки зондирования моделью горизонтально-слоистой среды. Распространяющуюся волну можно рассматривать в приближении нормального падения поскольку, когда источник и приемник расположены близко друг к другу, эффектами, связанными с наклонным падением, можно пренебречь.
Целью работы является решение прямой задачи высокочастотного электромагнитного зондирования для квазигоризонтальных тонкослоистых сред, изучение влияния электрических свойств пород, слоистости, кратных волн для основных групп физико-геологических моделей разрезов соляной толщи Верхнекамского месторождения.
В диссертации решаются следующие задачи.
1. Анализ существующих подходов к расчету отраженных сигналов для массивов горных пород. Обоснование необходимости учета затухания электромагнитных волн и частотной дисперсии электрических характеристик сред при решении прямой задачи. Выбор метода, позволяющего рассчитать как отдельный отраженный сигнал, так и временной георадарный разрез с наиболее полным учетом слоистости, многократных отражений и частотной дисперсии. Обзор данных по электрическим свойствам пород. Разработка и программная реализация способа аппроксимации экспериментальных частотных зависимостей комплексной функцией, удовлетворяющей соотношениям Крамерса-Кронига.
2. Создание системы программ, предназначенной для решения прямой задачи высокочастотного электромагнитного зондирования квазигоризонтальных тонкослоистых сред, а также для визуализации получающихся результатов. Исследование в одномерном случае влияния параметров исходного импульса и слоистого массива на характеристики отраженного сигнала.
3. Создание физико-геологических моделей разрезов с различными типами неоднородностей. Применение разработанных программ для расчета гео-радарных временных разрезов соляной толщи Верхнекамского месторождения в случае подземных высокочастотных электромагнитных зондирований. Анализ получающихся результатов, проявления в волновых картинах

и Лорентц-Лоренца:
6~* л , £С2>-1
,+М2 "2’
где 5, гпв(2) - диэлектрическая проницаемость смеси и отдельных компонент, 01 и 02 - объемные концентрации компонент, удовлетворяющие соотношению: 01+02 = 1. При наличии в породе влаги формулы смесей не пригодны. Для сухих образцов дисперсия крайне слабо выражена [61], но еще проявляется при частотах менее 50 кГц. С ростом влажности частотная зависимость становится все отчетливее. Влияние влаги на величину диэлектрической проницаемости тем больше, чем меньше частота.
Влияние концентрации С порового раствора на диэлектрические спектры различных пород подробно исследовано Ц.М.Левицкой. Например, для песчаников [52] отмечено уменьшение времени релаксации т: до минерализации 50 г/л х резко уменьшается, а затем при дальнейшем ее увеличении до 300 г/л снижение происходит более плавно. Уменьшение времени релаксации с ростом С объясняется увеличением скорости накопления зарядов на границах пор за счет возрастания проводимости раствора. Отмечена также следующая особенность: образцы с большей пористостью имеют, в целом, меньшие значения х и большую зависимость от минерализации. Для низких частот, лежащих вне области межповерхностной поляризации, диэлектрическая проницаемость уменьшается при увеличении пористости. Это объясняется тем, что при таких частотах 8] обусловлена поляризацией диполей, находящихся в двойных электрических слоях. Если происходит рост пористости за счет укрупнения пор, то поверхность двойных электрических слоев уменьшается, а, следовательно, уменьшается число диполей.
В исследованиях Левицкой [46], в частности, получены для пород разных литотипов при различных минерализациях корреляционные зависимости времени релаксации х, диэлектрической проницаемости на бесконечно большой частоте 8В и коэффициента пористости. Для величины ен отмечено, что она мало зависит от литологического состава и не обнаруживает определенной связи ни с минерализацией насыщающего раствора, ни с пористостью.
В ряде работ по исследованию электрических свойств пород одновременно с измерениями диэлектрической проницаемости проводились и измерения диэлектрических потерь. Значения тангенса угла потерь горных пород сильно зависит от влажности и минерализации влаги. Для глин, песков, песчаников во влагонасыщенном состоянии в интервале частот от 102 до 106 Гц он имеет значения 0.1-1.0 , а иногда и выше.
Малый объем данных по затуханию связан и с общей проблемой, отмеченной выше: недостаточно исследований электрических характеристик горных пород, проводимых для больших выборок образцов с определением их петрофизических параметров, нахождением корреляционных зависимостей.