Каринский Александр Дмитриевич — доктор физико-математических наук, профессор кафедры геофизики
23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997
Alexandr D. Karinskiy — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Department of Geophysics
23, Miklukho-Maklaya str., Moscow 117997
Иванов Андрей Александрович — кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геофизики
23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997
Andrey A. Ivanov — Cand. Sci. (Geol.-Mineral.), Assoc. Prof., Department of Geophysics
23, Miklukho-Maklaya str., Moscow 117997
Ефимов Евгений Дмитриевич — студент геофизического факультета
23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997
Evgeniy D. Efimov — student of the Faculty of Geophysics
23, Miklukho-Maklaya str., Moscow 117997
Зуденков Иван Андреевич — аспирант кафедры геофизики
23, ул. Миклухо-Маклая, г. Москва 117997
Ivan A. Zudenkov — post-graduate researcher of the Department of Geophysics
23, Miklukho-Maklaya str., Moscow 117997
Введение. В электроразведке методом сопротивлений существует давно признанная проблема, связанная с необходимостью надежного заземления измерительных электродов, что затруднительно или невозможно в условиях многолетнемерзлых пород, скальных грунтов, снежного покрова или искусственных покрытий. Бесконтактные измерения позволяют решить эту проблему и ускорить процесс съемки. Однако исторически теоретическое обоснование такого подхода базировалось на приближенных методах, а не на строгих решениях.
Цель. Целью данной работы является теоретическое обоснование методики бесконтактных измерений в методе сопротивлений на основе строгого решения прямой задачи электродинамики. Исследование направлено на анализ компонент электромагнитного поля и определение оптимальных условий для корректного определения удельного электрического сопротивления (УЭС) грунта.
Материалы и методы. Исследование проведено методом математического моделирования для двух моделей сред: двухслойной (воздух — проводящее полупространство) и трехслойной (воздух — промежуточный слой — проводящее полупространство). Моделирование выполнялось для предельной дипольно-осевой установки, расположенной на малой высоте над поверхностью, при частоте переменного тока 16 кГц. Расчет поля основан на строгом решении системы уравнений электродинамики. Анализировались амплитуда полной напряженности электрического поля Ex и модуль реактивной компоненты Re Ex.
Результаты. Показано, что традиционный подход, использующий амплитуду полного поля Ex для расчета кажущегося УЭС (ρк), на малых разносах дает аномально высокие значения, не зависящие от ρ2, из-за влияния поля зарядов на концах токового диполя. В отличие от этого, расчет ρк по реактивной компоненте Re Ex позволяет исключить это влияние. Для двухслойной модели определен оптимальный разнос (8—10 м), обеспечивающий наилучшее соответствие между ρк и ρ2. Для трехслойной модели показано, что слой с высоким УЭС эквивалентен увеличению высоты подъема установки, а слой с низким УЭС существенно осложняет интерпретацию.
Заключение. Разработан и обоснован новый подход к бесконтактным измерениям в методе сопротивлений, основанный на использовании реактивной компоненты электрического поля. Этот подход позволяет повысить достоверность определения удельного электрического сопротивления подстилающих пород. Результаты работы открывают перспективы для создания эффективной аппаратуры и методики бесконтактной электроразведки, применимой в сложных условиях заземлений.
Background. The resistivity method of electromagnetic survey has a long-recognized problem associated with the need for reliable grounding of measuring electrodes, which is difficult or impossible in conditions of permafrost, rocky soils, snow cover, or artificial surfaces. Contactless measurements solve this problem and speed up the survey process. However, the theoretical justification for this approach is historically based on approximate methods rather than rigorous solutions.
Aim. To theoretically substantiate the technique of contactless measurements in the resistance method using rigorous forward solution of electrodynamic equations. The study aims to analyze the components of the electromagnetic field and determine the optimal conditions for the correct assessment of the specific electrical resistance (SER) of soil.
Materials and methods. The study is conducted using the mathematical simulation of two medium models: two-layer (air–conductive half-space) and three-layer (air–intermediate layer–conductive half-space). The simulation is performed for a low-altitude dipole-axis array at an AC frequency of 16 kHz. The field calculation is based on a rigorous solution to the system of electrodynamic equations. The amplitude of the total electric field strength Ex and the modulus of the reactive component Re Ex are analyzed.
Results. The standard approach using the amplitude of the total field Ex to calculate the apparent SER (ρa) at small spacings gives anomalously high values independent of ρ2 due to the field effect of charges at the ends of the current dipole. In contrast, the calculation of ρa based on the reactive component Re Ex excludes this effect. For a two-layer model, an optimal spacing of 8—10 m was established to provide the best match between ρa and ρ2. For a three-layer model, the high-SER layer is equivalent to an increase in the height of instrument lift, while the layer with low resistivity significantly complicates the interpretation.
Conclusion. An advanced approach to contactless measurements in the resistance method using the reactive component of the electric field is developed and substantiated. This approach increases the reliability of determining the specific electrical resistance of underlying rocks. The results of the study open up prospects for the development of effective equipment and methods for contactless electromagnetic survey applicable in complex grounding conditions.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.