CR - SIP

лишь через 40 лет компания Ньюмонт начала практическое использование этого

метода. С этого момента (конец 1940’х годов) в течение еще 40 лет расцвела активность в области как теории, так и практики ВП, главным образом для поисков вкрапленных сульфидов. Однако, после падения цен на медь в 1983, драматически упал интерес к рассеянным сульфидам и соответственно к исследованиям об источниках и природе явления вызванной поляризации (ВП).
Падение цен на нефть в 1985 году еще сильнее снизило интерес к ВП, который использовался как один из альтернативных несейсмических методов в разведке углеводородов. Только в последние несколько лет этот интерес стал возрождаться. Метод ВП в последнее время стал меняться - новые методики.
Метод комплексного сопротивления (CR) или Спектральной ВП (SIP) существует несколько десятилетий, но в последнее время происходит очень быстрый рост исследований по данной теме. Два основных направления - рудные и нерудные исследования.
По рудным задачам удается распознать электронные проводники с графитом, пиритом и рудными минералами.
По нерудным задачам удается определить гранулометрический состав грунтов, глинистость, коэффициент фильтрации, поверхностную проводимость.

амплитуда в заданный момент или площадь под кривой спада в

заданном интервале времени.

Бертин и Лоеб, Комаров и др.

сдвиг фаз: b
Первые два - по амплитудам на двух частотах,

третий - фазовый.

возрастает. Разница частот для FE, PFE - обычно в два-три

раза.

частей. Отметим, что мнимая часть проводимости - это поверхностная проводимость,

а реальная часть проводимости - это электролитическая проводимость (почти). Эти термины используются давно, их связь с параметрами ВП представляет интерес.

фазы от частоты. А σ" это поверхностная проводимость (σ' -

электролитическая проводимость)

в рудной ВП, а теперь оказалась полезна и в гидрогеологических

приложениях.

Заряжаемость - частотный эффект - фаза

Металл - фактор - мнимая часть КС - поверхностная проводимость

используем переменный ток, ρ(∞) - асимптота на очень высокой частоте,

еще сложнее из-за индукции.

времени (амплитуда и производная спада ВП по логарифму времени) -

важный параметр - постоянная времени τ.

характеристики связано с размером пор (Pore throat - горлышко). Вверху

- амплитудные характеристики, внизу - фазовые. Максимум правее - тонкозернистая порода, максимум левее - крупнозернистая порода

к использованию метода ВП. С этого времени активность резко росла

на протяжении более 30 лет, как в теории, так и на практике. (Сигел (Seigel), Уайт (Wait), Колетт (Collett), Блейл (Bleil), Мэдден и Маршал (Madden and Marshall), Фрэйзер (Fraser) и Вард (Ward), Халлоф (Hallof) и Патерсон (Patterson) внесли свой вклад в ВП. В России В.А.Комаров и его антагонист А.С.Поляков.
Югославский геофизик Суми (Sumi), может быть, был одним из первых, кто изучил возможность разделения типов минерализации по форме спада ВП во временной области в начале 60-х гг. Потом были публикации венгерских геофизиков, создана аппаратура Диапир - анализ спада ВП. Зонге (Zonge) ввел идею комплексного сопротивления. Пелтон (Pelton) представил обоснование для использования модели Коль-Коль (Cole-Cole) как основу анализа кривых спада ВП.
Основной причиной для разработки формой Zonge многочастотного ВП (комплексного сопротивления или спектрального ВП) были две идеи; удаление эффектов ЭМ индукции из данных ВП, и распознавание источника аномалии ВП. Удаление эффектов ЭМ индукции было успешно достигнуто (Zonge в 1973 - секрет фирмы), и продолжается работа по распознаванию типа минерализации по ВП. Почему важно распознавание типов минерализации. Из 200 аномалий ВП в рудных районах, лишь одна имеет рудную природу, а остальные вызваны графитом и пиритом.

статье "CR method" говорит, что измерения на переменном токе сопровождаются

тремя типами coupling effects (индукции): от технических (металлических) предметов в земле - cultural coupling, от слоистости земли (layered earth coupling) (эффект связан с сопротивлениями слоев) и от (galvanic coupling). Еще разделяют гальванический и индуктивный coupling. Индуктивный coupling является функцией длины проводов, частоты поля и сопротивления среды. Поэтому нередко применяют частичные решения по уменьшению такого coupling. Используют установки с минимальной индукцией (MN перпендикулярно АВ) или выбирают самые низкие частоты (теряя производительность) или используют данные нескольких частот, чтобы привести их к нулевой частоте.
Но для разделения эффектов от разных минералов нужны спектры частот, т.е. и более высокие частоты. В фирме Zonge разработали метод Z.E.R.O. в котором итеративным методом получают теоретическое решение устранения coupling (индукции). Детали этого решения являются секретом фирмы, но пользователи в течение 30 лет остаются довольны. По Зонге спектральное ВП это комплексное сопротивление лишенное влияния индукции (coupling). Иногда измерения выполняют на основной частоте, а также третьей и пятой гармонике (возможны иные варианты трехчастотных измерений), как в МЭРИ.

амплитуда и фаза от частоты. В поле измеряют амплитуду и

фазу, но комплексный график в координатах Re-Im считают более удобным для работы с данными ВП.

халькопирит (A); только пирит (B); хлоритизированный биотит (C).

залегающего под трубопроводом. Один электрод точно над трубой (влияние максимально).
Возможно,

что наиболее важным преимуществом измерения комплексного сопротивления является способность удалять ЭМ индукцию из данных ВП. Независимо от того, сможет ли кто-то отличить экономически интересные и неинтересные аномалии ВП, способность отличить индуктивные аномалии от вызванных сульфидами является самой ценной возможностью анализа данных комплексного сопротивления.

Аналогично параметр ДФП в аппаратуре МЭРИ - главное в ДФП - способность удалять ЭМ индукцию из данных ВП.

Лемецу, 1980 г.). Графит резко отличается от металлов по ФЧХ.

"Северо-Запад").
Эта картинка показывает, что спектральное ВП существует, и в

России для него есть аппаратура Астра -МЭРИ. Это лабораторные измерения, но есть и полевые. Графит резко отличается от других минералов по ФЧХ.

так много примеров полевых работ, больше лабораторных результатов. Иное название

SIP это комплексное сопротивление (complex resistivity - CR). Это комплексная величина, имеющая действительную и мнимую компоненты или амплитуду и фазу, которые можно измерить отдельно. Измерения проводят в широком интервале частот: 0.01-1000 Гц.
Нерудное направление. Электропроводность σ в капиллярах ионопроводящих пород можно разделить на электролитическую σ' (водного раствора) и поверхностную σ'' (пленочную) проводимость (σ=σ'+iσ''). Действительная часть CR отражает электролитическую σ', а мнимая - поверхностную σ'' проводимость. Ф.Борнер (2006) показал, что σ'' связана с относительной поверхностью пор (отношение площади поверхности к объему поры), а Spor связана с гидравлической проводимостью K (коэффициентом фильтрации).
Поэтому одно направление CR или SIP это оценка
фильтрационных свойств грунта. Второе направление
изучение нефтяных загрязнений, в которых биодеградация
приводит к увеличению σ'' без изменения σ'.

Число публикаций на Западе по СВП на безрудных грунтах растет как лавина.
Это перспективы, будущее метода ВП, нужен переход к массовым измерениям, основная трудность - индукция.

выразительными, чем фазовые (Именно в фазовых спектрах сильнее проявляется влияние

ВП).

Данные А. Веллера, Германия

А. Веллеру, Германия
s” = 0.01 Spor
f=1 Hz,
sw= 100 mS/m
Прямая

пропорциональность

Lesmes & Frye (2001):



Преимущество: нормализованная поляризуемость не зависит от сопротивления

(DC) и пропорциональна мнимой части проводимости.

нормализованная поляризуемость пропорциональна удельной поверхности порового пространства Spor

Раньше так выполняли расчет металл-фактора

песчаников
mn = 0.072 Spor

Для песчанистых смесей
mn = 0.17 Spor

@ sw=

100 mS/m

По А. Веллеру, Германия

Нормализованная поляризуемость mn и относительная поверхность пор (прямая пропорциональность)

Отсюда вывод о сходстве mn и σ'', получаемых из временных и частотных измерений СВП.

породах

параллельное включение:
реальная часть проводимости:
мнимая часть проводимости:

Flath (1989): 24 shaly sandstone samples
Frank Börner (1992):

4 sandstone samples
Lesmes and Frye (2001): 1 sandstone sample
Katrin Breede (2006): 6 sandstone samples
Henning Schröder (2008): 7 sandstone samples
Sabine Kruschwitz (2008): 2 sandstone samples
Rutgers University (new): 16 unconsolidated samples

проводимости и поверхностная проводимость

горизонты с солоноватой водой
Оценка текстуры и коэффициента фильтрации
Оценка водонасыщенности, гидрофильность

- гидрофобность
Оценка концентрации электронопроводящих минералов, текстуры измененных пород, минерального состава

Research (Radic, 2004), работающая в поле в Германии. Белые коробочки

это устройства сбора информации, эта информация контролируется и оцифровывается перед пересылкой в компьютер по оптическому кабелю. Частотный режим.

Преобладают лабораторные измерения в соотношении 50 к 1

К.В.Титов. Временной режим.

можно определять и частотный эффект, металл-фактор, поляризуемость.

мнимую (Im) составляющие. Но часто эти части содержат одну и

ту же информацию, только графически этого не видно, а вычислительно можно обнаружить.
Амплитудную кривую МТЗ можно пересчитать в фазовую кривую, а можно просто измерить фазу.
Между амплитудной и фазовой кривой спектрального ВП тоже есть связь. Амплитудная кривая СВП в своей форме отражает больше сопротивление (или проводимость) среды, а фазовая - больше поляризационные свойства. Но оба вида информации есть и там и там. Поэтому Веллер и др. геофизики показывают, что разные параметры ВП (или СВП) связаны. Борнер показал, что в СВП есть информация о коэффициенте фильтрации, а Рыжов и Шевнин извлекают эту информацию из сопротивления грунта, сопротивления воды и зависимости сопротивления грунта от солености с помощью программы Рыжова Петрофизика.
Постепенно складывается понимание сходства многих параметров ВП.
Пока только ДФП и измеритель МЭРИ стоят особняком и это мешает включению ДФП в общее развитие метода ВП.

ВП с небольшой добавкой
Известная каждому студенту формула связывает ДФП и

поляризуемость
ηk (%) = - 2.5 · ДФП (градусы)
Формула статистическая, но таких формул немало в геофизике.

(временной параметр Коль-Коль) (кривая фазы ВП (сплошная линия) практически совпадает

с кривой ДФП (пунктирная линия). С ростом растет кривизна графика фазы ВП, что приводит к большему расхождению последнего с соответствующим ему графиком ДФП. Значения параметра С на рисунке - от 0.2 до 0.5, а наиболее часто встречающиеся значения параметра С – от 0.2 до 0.35.

части, в СВП - амплитуду и фазу. При измерении ДФП

ограничиваются фазовым параметром, потому что основная нацеленность ДФП - рудная минерализация. Чтобы измерения с МЭРИ заняли свое место среди разных способов измерения ВП нужно, чтобы к ДФП (фазовому) был добавлен амплитудный параметр, тогда ДФП будет полноправным параметром ВП. Это, конечно, требует подключения теории, что начали А. Бобачев и Н. Зорин. Западная аппаратура СВП (Радик) делает первые шаги в поле, а МЭРИ давно работает в самых разных ситуациях (отличная аппаратура), но проблема МЭРИ и ДФП - слабое теоретическое обоснование и неясная связь с общепринятыми параметрами ВП.

оценки временных характеристик вызванной поляризации можно использовать разность значений ДФП

(или ηк) на двух частотах. Учитывая, что графики ЧХ ДФП практически симметричны, рабочие частоты можно подобрать таким образом, чтобы разница двух ДФП, рассчитанных на этих частотах, принимала отрицательное значение над одной породой и положительное над другой.

(0.61 и 1.22 Гц) дал хорошую корреляцию с ореолами золота.

Это частично наука, а больше искусство, опыт, чутье. Небольшие отрицательные значения Δηк хорошо согласуются с высококонтрастной устойчивой аномалией золота. (Куликов, Яковлев, 2008). Эту методику Куликов применяет несколько лет и успешно.

перспективы. ИнжГео-2013, Геленджик. 153 стр.
Weller A. Spectral induced polarisation on

sandstones and sandy soils. Institute of Geophysics. Clausthal University of Technology. September, 2013. Лекция, МГУ.
Zonge K. L., Hughes L. J. The complex resistivity method. 1980. Zonge Engineering & Research Organization, Inc. 32 pp.
Börner, Schopper & Weller (1996): Evaluation of transport and storage properties in the soil and groundwater zone from induced polarization measurements, Geophysical Prospecting 44,583-601.
Revil A., Leroy P., and Titov K. Characterization of transport properties of argillaceous sediments: Application to the Callovo-Oxfordian argillite. 2005. Journal of geophysical research, Vol. 110, B06202, doi:10.1029/2004JB003442.
Titov K., Kemna A., Tarasov A., and Vereecken H. Induced Polarization of Unsaturated Sands Determined through Time Domain Measurements. Vadose Zone Journal, 2004, 3:1160–1168.
Weller, A.; Slater, L.; Nordsiek, S.; Ntarlagiannis, D. (2010): On the estimation of specific surface per unit pore volume from induced polarization: A robust empirical relation fits multiple datasets. Geophysics 75, No. 4.
Weller, A.; Slater, L.; Nordsiek, S. (2013): On the relationship between induced polarization and surface conductivity: Implications for petrophysical interpretation of electrical measurements. Geophysics 78, No. 5.

(частотных) характеристик процесса вызванной поляризации для разделения аномалий от углефицированных

пород и сульфидов. Геофизика, 2008. №6, с. 55-60.
В.А. Куликов, Н.И.Зорин, И.Т.Манжеева, А.Г.Яковлев. Разделение аномалий вызванной поляризации по частотным характеристикам дифференциального фазового параметра. Геофизика (в печати).