Электрическая разведка сопротивления: методы и применение.
Electrical resistivity tomography
Электроразведка (ERT/ERI): геофизический метод для изучения подземных структур по электрическому сопротивлению. Глубинное исследование, скважинная геофизика.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Геофизический метод для визуализации подповерхностных структур.
A geophysical technique for imaging sub surface structures
Электрорезистивная томография (ERT) или электротомография сопротивления (ERI) – это геофизический метод, используемый для визуализации подповерхностных структур на основе измерений электрического сопротивления, проводимых на поверхности или с помощью электродов, расположенных в одной или нескольких скважинах. При размещении электродов в скважинах возможно исследование более глубоких горизонтов. Этот метод тесно связан с медицинской визуализационной техникой – электрической импедансной томографией (EIT), и математически представляет собой ту же самую обратную задачу. Однако, в отличие от медицинской EIT, ERT по сути является методом постоянного тока. Другой связанный геофизический метод – индуцированная поляризация (или спектральная индуцированная поляризация) – измеряет переходный процесс и предназначен для определения способности подповерхностных сред накапливать электрический заряд. Измерения электрического сопротивления могут применяться для определения и количественной оценки глубины залегания грунтовых вод, обнаружения глинистых пород и измерения электропроводности грунтовых вод.
Electrical resistivity tomography (ERT) or electrical resistivity imaging (ERI) is a geophysical technique for imaging sub surface structures from electrical resistivity measurements made at the surface, or by electrodes in one or more boreholes. If the electrodes are suspended in the boreholes, deeper sections can be investigated. It is closely related to the medical imaging technique electrical impedance tomography (EIT), and mathematically is the same inverse problem. In contrast to medical EIT, however, ERT is essentially a direct current method. A related geophysical method, induced polarization (or spectral induced polarization), measures the transient response and aims to determine the subsurface chargeability properties. Electrical resistivity measurements can be used for identification and quantification of depth of groundwater, detection of clays, and measurement of groundwater conductivity.
История
Техника развилась из методов электрического зондирования, предшествовавших появлению цифровых компьютеров, когда искали слои или аномалии, а не изображения. Ранние работы по математической постановке задачи в 1930-х годах исходили из предположения о слоистой среде (см., например, работы Лангера и Слихтера). Андрей Николаевич Тихонов, наиболее известный своими исследованиями в области регуляризации обратных задач, также занимался этой проблемой. Он подробно описывает, как решать задачу ЭРТ в простом случае двухслойной среды. В 1940-х годах он сотрудничал с геофизиками, и без использования компьютеров они обнаружили крупные месторождения меди. За это они были удостоены Государственной премии СССР. С появлением достаточно мощных компьютеров обратная задача ЭРТ стала решаться численно. Работа Лоука и Баркера из Бирмингемского университета была одним из первых таких решений, и их подход до сих пор широко применяется. По мере развития метода электрической томографии (ЭРТ) от 1D к 2D и, в настоящее время, к 3D, ЭРТ нашла применение во многих областях. Области применения ЭРТ включают в себя исследование разломов, изучение уровня грунтовых вод, определение влажности почвы и многое другое. В задачах промышленной визуализации ЭРТ может использоваться аналогично медицинской ЭИТ для визуализации распределения электропроводности в смесителях и трубопроводах. В этом контексте ее чаще называют томографией электрического сопротивления, подчеркивая измеряемую величину, а не получаемое изображение.
The technique evolved from techniques of electrical prospecting that predate digital computers, where layers or anomalies were sought rather than images. Early work on the mathematical problem in the 1930s assumed a layered medium (see for example Langer, Slichter). Andrey Nikolayevich Tikhonov who is best known for his work on regularization of inverse problems also worked on this problem. He explains in detail how to solve the ERT problem in a simple case of 2 layered medium. During the 1940s, he collaborated with geophysicists and without the aid of computers they discovered large deposits of copper. As a result, they were awarded a State Prize of Soviet Union. When adequate computers became widely available, the inverse problem of ERT could be solved numerically. The work of Loke and Barker at Birmingham University was among the first such solution and their approach is still widely used. With the advancement in the field of Electrical Resistivity Tomography (ERT) from 1D to 2D and nowadays 3D, ERT has explored many fields. The applications of ERT include fault investigation, ground water table investigation, soil moisture content determination and many others. In industrial process imaging ERT can be used in a similar fashion to medical EIT, to image the distribution of conductivity in mixing vessels and pipes. In this context it is usually called Electrical Resistance Tomography, emphasising the quantity that is measured rather than imaged.
Операционная процедура
Сопротивление почвы, измеряемое в омах-сантиметрах (Ω⋅см), изменяется в зависимости от влажности и температуры. Как правило, увеличение влажности почвы приводит к уменьшению удельного сопротивления почвы. В песках электрический путь обеспечивает только поровой раствор, а в глинах – как поровой раствор, так и поверхностно заряженные частицы. Удельное сопротивление влажных мелкозернистых почв обычно значительно ниже, чем у влажных грубозернистых почв. Разница в удельном сопротивлении между сухой и насыщенной почвой может достигать нескольких порядков величины. Метод измерения удельного сопротивления в грунте заключается в установке четырех электродов в земле на одной прямой на одинаковом расстоянии друг от друга, подаче измеренного переменного тока на два внешних электрода и измерении переменного напряжения между двумя внутренними электродами. Измеренное сопротивление рассчитывается путем деления измеренного напряжения на измеренный ток. Затем это сопротивление умножается на геометрический коэффициент, учитывающий расстояние между электродами, для определения кажущегося удельного сопротивления. Для исследований на небольшой глубине (< 10 м) обычно используются расстояния между электродами 0,75, 1,5, 3,0, 6,0 и 12,0 м. Для более глубоких исследований обычно используются большие расстояния между электродами: 1,5, 3,0, 6,0, 15,0, 30,0, 100,0 и 150,0 м. Глубина исследования обычно не превышает максимального расстояния между электродами. Для улучшения электрического контакта в отверстия для электродов добавляется вода при их погружении в грунт.
Soil resistivity, measured in ohm centimeters (Ω⋅cm), varies with moisture content and temperature changes. In general, an increase in soil moisture results in a reduction in soil resistivity. The pore fluid provides the only electrical path in sands, while both the pore fluid and the surface charged particles provide electrical paths in clays. Resistivities of wet fine grained soils are generally much lower than those of wet coarse grained soils. The difference in resistivity between a soil in a dry and in a saturated condition may be several orders of magnitude. The method of measuring subsurface resistivity involves placing four electrodes in the ground in a line at equal spacing, applying a measured AC current to the outer two electrodes, and measuring the AC voltage between the inner two electrodes. A measured resistance is calculated by dividing the measured voltage by the measured current. This resistance is then multiplied by a geometric factor that includes the spacing between each electrode to determine the apparent resistivity. Electrode spacings of 0.75, 1.5, 3.0, 6.0, and 12.0 m are typically used for shallow depths (<10 m) of investigations. Greater electrode spacings of 1.5, 3.0, 6.0, 15.0, 30.0, 100.0, and 150.0 m are typically used for deeper investigations. The depth of investigation is typically less than the maximum electrode spacing. Water is introduced to the electrode holes as the electrodes are driven into the ground to improve electrical contact.