CC BY
35
© Б.Б. Болиев, Ю.Б. Башкуев, А.С. Батороев, 2003
УЛК 550.372:621.391.81
Б.Б. Болиев, Ю.Б. Башкуев, А.С. Батороев
ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ КАРТИРОВАНИЕ ЮГА СИБИРИ
Первые прогнозные карты проводимости территории СССР были составлены (В.Е. Кашпровским, B.C. Якуповым) для модели однородной постилающей среды [1, 2]. Поскольку на структуру электромагнитного поля оказывает существенное влияние слоистость земной коры, возникла необходимость учета этого фактора.
Решение этой задачи стало возможным с использованием прогнозных карт геоэлектрических разрезов, учитывающих слоистую структуру подстилающей среды. На них отражено площадное распределение различных типов геоэлектрических разрезов с указанием удельного электрического сопротивления Pl, диэлектрической проницаемости 8) и мощности hj каждого горизонта [3, 4].
Геоэлектрические разрезы юга Сибири характеризуются резко выраженной пространственной неоднородностью электрических параметров, обусловленной большим разнообразием природных ландшафтов и сложным геологическим строением. Здесь представлены различные структурные элементы Сибирской платформы и разновозрастные складчатые области Забайкалья.
Под прогнозированием карты ГЭР понимается предсказание количественных значений удельного сопротивления P для любой точки некоторой области земной поверхности и определение площадей распространения различных геоэлектрических разрезов на основе фондовых материалов или результатов измерений. Карта представляет генерализированное отображение реальной геоэлектрической ситуации, точность которого определяется детальностью наблюдений и их генерализацией в соответствии с масштабом построений. Под методикой составления прогнозной геоэлектричееской карты нами понимается детально намеченный процесс, включающий исходные данные, последовательность действий, правила обработки и т. п. Геоэлектрические карты в зависимости от их масштаба имеют свои особенности. На крупномасштабных картах
геоэлектрическая ситуация наносится, как правило, по данным непосредственных измерений. При картировании в мелких масштабах приходится прибегать к интерполяции и экстраполяции
выявленных закономерностей на ключевых участках.
Комплекс исследований включал в себя :
1. Построение общих моделей геоэлектрического строения основных областей региона на глубину скин-слоя.
2. Разработку принципов комплексной интерпре-
Рис. 1. Прогнозная карта юга Сибири
тации данных различных дов геоэлектрики, составление мелкомасштабных схем
зической изученности
рии, контрольную
цию и обобщение фондовых электрических материалов.
3. Выбор шкалы градации электрических параметров.
Непосредственное составление карты параметров ГЭР проводится в два этапа. Сначала на основе фондовых геолого- геофизических лов составляется прогнозная карта ГЭР, которая на втором этапе проверяется и уточняется ными полевыми методами РЭМЗ, ВЭЗ и рирования. Составленная на первом этапе ная карта позволяет существенно уменьшить объем полевых работ.
Под составлением прогнозной карты ГЭР понимается определение площадного распределения различных типов ГЭР, оценка сопротивления Ц и толщины Ь) отдельных слоев разреза по всей площади карты на основе имеющегося объема начальной информации.
Методика геоэлектрического прогнозирования основывается на следующих положениях:
1. Существует закономерная связь между электрическими параметрами и литологическими, гидрогеологическими и мерзлотными характеристиками горных пород.
2. Сопротивление конкретного типа горной породы является случайной величиной, распределенной по логнормальному закону.
3. Прогнозирование проводится по геологическим картам коренных горных пород и четвертичных отложений, фондовых материалов ВЭЗ и данным бурения.
4. Прогнозирование параметров ГЭР с достаточной для практики точностью можно проводить на основе изучения ключевых участков (территорий-аналогов) с последующим прогнозным распространением характеристик на родственные в геологическом отношении территории.
За основу геоэлектрической модели структурнотектонического участка взята слоисто- блоковая модель земной коры, которая представляется горизонтально- слоистой в пределах блока. Границы участков с различными электрическими характеристиками рассматриваются как границы блоков. Факторы, определяющие параметры ГЭР, в различных его
Таблица 1
Номер ступени N Медианное значение, р] , Ом -м. Медианное значение Ь , м
0 0.68 -
1 1.47 0.147
2 3.16 0.316
3 6.8 0.68
4 14.7 1.47
5 31.6 3.16
6 68 6.8
7 147 14.7
8 316 31.6
9 680 68
10 1470 147
11 3160 316
12 6800 680
13 14700 -
Таблица 2
Литологические комплексы А1дП1 Е1дП1 А1§р 1 Е%> ;
л/Ш 2т1бМ
Четвертичные отложения Угленосные отложения Вулканогенные образования Мезозойские граниты Палеозойскиее граниты 2.32 1.7 2.51 2.51 3.0 0.19 0.67 0.19 0.32 0.58 -1.04 1.14 -1.17 -0.62 -0.13 0.55 1.85 0.52 0.88 1.61 -1.44 1.58 -1.63 -0.86 -0.19
частях различны. В верхней части определяющими факторами являются степень трещиноватости, объемное содержание влаги и ее минерализация, а в нижней части разреза определяющая роль принадлежит температуре горных пород. Геоэлектрическая модель должна учитывать особенности глубинного геоэлектрического строения кристаллического фундамента (коровые проводящие слои и наличие в ряде районов мощной мерзлоты).
Более близкой к действительности является модель с горизонтально-слоистой структурой отдельных областей. Такая модель с частотнонезависимыми параметрами отдельных слоев оказывается удобной для интерпретации поверхностного импеданса по частоте. Она реализуется в виде карт параметров геоэлектрических разрезов. Карта параметров ГЭР позволяет переходить к картам локальных импедансов в широком диапазоне частот, по ней можно строить разные, в зависимости от назначения частоты и критерия точности, геоэлектриче-ские модели подстилающей среды (рис. 1)
Для картируемой территории целесообразно было, учитывая неравномерную сеть электроразведоч-ных работ и прогнозный характер, выбрать достаточно простую шкалу прогнозируемых параметров. Информация на картах ГЭР отображена в виде шифров, определяющих сопротивления р; и мощности Ь) слоев в логарифмически- равномерной шкале (табл. 1). Логарифм шага дискретизации р; и Ь
Границы значений в пределах декады определяются в соответствии с рядом 1- 2.15- 4.6410 и т.д. Диэлектрическая проницаемость, по данным экспериментов, принята ^ = 10. Из-за
ограниченности экспериментальных данных карты ГЭР составлены в мелком масштабе. В качестве геологической и топографической основы использована “Геологическая карта континентов Мира ‘кнстзпящбе Ьр1ем00г000) .расчетах распространения радиоволн в качестве базовой используется рекомендованная МККР карта проводимости Моргана-Максвелла [5]. Проведем оценку данной карты по материалам экспериментальных работ, выполненных нами в Сибири методами ВЭЗ, РЭМЗ и радиокомпа-рирования. На карте Моргана- Максвелла территория юга Сибири обозначена средним значением эффективного сопротивления р~ = 3300 Ом.м
По материалам ВЭЗ, удельное сопротивление р гранитов Забайкалья изменяется от 500 до 3500 Ом.м, а среднее значение р в СДВ-диапозоне принимает значение 2000 Ом.м. Среднее значение р вул-
но-осадочных отложений равно 2150 Ом.м. Приведенные данные хорошо согласуются с резуль-
тами измерений р~
том РЭМП на частоте 22.3 кГц. Измеренные значения р~ в 2 раза и более ниже приведенных на карте, а кристаллические породы горных сооружений и вуканогенно-осадочные
жения депрессий значительно различаются между собой по электрическим свойствам. На юге ского плоскогорья по материалам аэроварианта РЭМП, также имеет место значительная
циация р кристаллических и вулканогенно-
осадочных пород, а значения р в 2 раза и более ниже р по карте Моргана- Максвелла. Гранитоиды и морфические породы Северо-Байкальского нагорья существенно различаются между собой по значениям р~ в СДВ- диапазоне. Так в Мамском районе р~ протерозойских гранитоидов изменяются от 160 до 30700 Ом.м и составляет в среднем 4500 Ом.м, а р~ метаморфических пород протерозоя находится в интервале 103600 Ом.м при среднем значении 1200 Ом.м.
Алданское нагорье на карте Моргана- Максвелла характеризуется р = 10000 Ом.м. По данным экспериментальных материалов значения р подстилающей среды данного региона в 2-3 раза ниже приведенной на карте характеристики, а основные комплексы горных пород существенно различаются между собой по значениям р.Анализ материалов показывает, что значения р на карте Моргана- Максвелла являются, как правило, завышенными в 2-3 раза и более. На карте не нашли отражения границы между основными комплексами горных пород, значительно отличающимися по электрическим свойствам.
ступени рассчитываются по формулам: р, = 10°, (и-а5) N = 0 ч15
Ь. = 10 а333 (и-а5) N = 0 ч15
N 1д Ь Ь) 51дЬ1 А1дЬ1 Е1дЬ1 А)дЫ V 6/И Е1дЬ1 V 6/И
70 0,82 6,5 0,76 -0,28 -1 -0,96 -1,72
Таблица 4
Литологические Комплексы f, кГц Регионы
15.1 17.4 22.3 50
Гранитоиды 0.063±0.031 -37±9 - 0.072±0.037 -38±9 0.116 ± 0.046 -32±14 Забайкалье
Метаморфичесческие породы 0.023±0.008 -42±11 - 0.028±0.008 -43±8 0.039 ± 0.014 -37±10 Забайкалье
Архейские образования 0.044±0.017 -35±6 0.045±0.017 -36±5 0.054±0.018 -37±7 Алданское нагорье
Отложения верхнего протерозоя - нижнего кембрия 0.026±0.003 38±10 0.028±0.012 44±13 0.039±0.013 34±8 Алданское нагорье
Кембрийские отложения 0.018±0.004 40±9 0.019±0.004 43±12 0.028±0.006 40±13 Алданское нагорье
Юрские отложения 0.016±0.001 43±1 0.016±0.002 47±8 0.027±0.004 43±3 Алданское Нагорье
* в числителе- модуль импеданса, в знаменателе- фаза, град.
Методика составления карты параметров ГЭР включала комплекс полевых работ методами ВЭЗ, РЭМЗ. Основанием для широкого использования данных ВЭЗ при геоэлектрическом картировании явилась достаточно хорошая сходимость значений модуля и фазы импеданса, полученных прямыми измерениями методом РЭМЗ и расчетами по данным ВЭЗ, а также отсутствие частотной дисперсии проводимости в СДВ- СВ диапазонах. Сходимость результатов ВЭЗ и РЭМЗ подтверждает правомочность комплексирования этих методов для получения электрических параметров слоистой подстилающей среды в указанных диапазонах радиоволн. Это дает возможность использовать многочисленные фондовые материалы ВЭЗ, что значительно ускоряет и удешевляет прогнозирование ГЭР больших регионов (рис. 2, 3).
Задача статистического анализа распределений
5, р~ занимает важное место при проведении экспериментальных исследований электрических свойств природных сред.
Вероятностная модель геоэлектрического разреза наиболее полно соответствует природе изучаемого объекта- слоистой подстилающей среды. Сопротивление и толщина слоя однотипного комплекса горных пород рассматриваются как случайные величины, подчиняющиеся определенным законам распределения. Распределение значения сопротивления р1 горных пород конкретного типа в общем случае описывается логнормальным законом, а толщина Ь1 геоэлектрических разрезов- как логнормальным, так и нормальным законом распределения. Эти гипотезы проверены по величине отношений показателей асимметрии и эксцесса. Результаты проверки гипотезы о логнормальном распределении значений р1 и Ь1 наиболее распро-
Рис. 2. Гистограммы распределения относительных расхождений значений эффективной проводимости, измеренных методами ВЭЗ и РЭМЗ: а - f = 17,4; б - f = 281; в — = 575 кГц. N - число измерений
страненных и типичных комплексов горных пород Забайкалья приведены в табл. 2, 3. Знание закона распределения pj и hj позволяет выбрать объективные критерии статистической обработки поверхностного импеданса слоистой среды. Физико- статистический подход к выбору логнормального типа распределения 5 базируется на логнормальном законе распределения сопротивления и толщины слоя горной породы, поскольку функциональная зависимость 5 =F (pj, hj) при f - const определяется соотношением:
5 = 5jQ(n)
где 5! - поверхностный импеданс однородной среды с параметрами первого слоя; Q(n) = F (f, pi; 8; , hj, 0)-корректирующий множитель, учитывающий нижележащие слои земной коры.
Геоэлектрические условия на реальных трассах ГЭР позволяют выдвинуть гипотезу о логнормальном распределении 15 I, Re5, Im5, p~ и нормальном распределении ф5. Эта гипотеза приводит к результатам хорошо согласующимся с данными измерений. Сравнение данных, полученных для однотипного комплекса горных пород, показало , что действие различных природных факторов и изменение частоты приводит к изменению параметров статистических моделей с сохранением логнормального для I5 I, Re5, Im5, p~ и нормального для ф5 законов распределения.
В табл. 4 представлены результаты статистической обработки значений 5 в СДВ- диапазоне кристалли-
Таблица 5
№ Радиотрасса Длина трассы, км Частота излучателя, кГц Среднеквадратичное отклонение расчетно модели, %
1. Чита-Соловьевск, гористо- лесистая, 50% леса 153 182 + 10
2. Бодайбо- Тамарак, гористо- лесистая, на гранитоидном массиве 48 545 +21
3. Улан-Катково, гористо- лесистая, 48% леса 160 560 + 16
4. Бодайбо-Васмльевский, безлесная, гористая, на метаморфическом массиве 89 545 +32
5. Улан-Удэ-Петропавловка, гористая, 13% леса 209 560 +22
6. Чита- Соловьевск, гористо- лесистая до 110 км, далее степная 270 182 + 18
7. Кручина-Соловьевск, гористо-лесистая до 98 км, далее степная 258 263 +22
8. Красноярск-Казаченское, равинная, лесистая, 90% леса, в платформенной области 200 218 + 15
9. Братск- Кежма, равнинная, лесистая, 100% леса 134 374 +20
10. Ангарск- Хогот, холмистая, безлесная 180 236 +25
11. Чульман- Алдан, мерзлотная, гористая, безлесная 215 255 +20
ческих пород Забайкалья и мерзлотных пород Алданского нагорья. В целом 5 и ф5 изменяются в широких пределах и свидетельствуют о достаточно сложной пространственной геоэлектрической картине, отражающей геологические и природно-климатичес кие условия регионов. Установлена значительная дифференциация поверхностного импеданса для различных типов подстилающей среды. Например, для кристаллических пород Забайкалья, сложенных гранитоидами и метаморфическими породами, среднее значение 15 I гранитоидов в 2.5-3 раза выше, чем у метаморфических пород. Подобная картина наблюдается и для мерзлых горных Алданского нагорья.
Экспериментальная оценка точности прогнозирования ослабления поля на 11гористо-лесных, равнинных и мерзлотных трассах юга Сибири (табл. 5) с использованием прогнозных значений поверхност-
ного импеданса, учетом рельефа и лесного покрова показала, что расхождения между прогнозными и измеренными значенииями !Ш1 не превышает ±25 % .
Среднеквадратичное относительное расхождение теоретически рассчитанных !Ш! и измеренных !Ш! модуля функции ослабления определяется соотношением:
,=1
N
(»1, - »1,
где А|», = I р^ ' | • 100% , N - количество пунктов измерений на трассе.
Экспериментальная проверка эффективности прогноза поля на реальных трассах по карте ГЭР показала, что типовое значение среднеквадратичной
Рис. 3. Кривая ВЭЗ и частотные зависимости значений !□! и ИЬ0 по данным ВЭЗ (а) и РЭМЗ (б). Тугнуйская впадина, скв. 218. 1- почвенно-растительный слой; 2,3 - песок: 2 - с гравием и галькой, 3 - глинистый
Рис. 4 . Значение IWI на трассе Улан-Удэ-Катково: 1-прогнозная; 2- измереные; 3- расчетная без учета леса
Рис. 5. Значение IWI на трассе Улан-Удэ-Катково: 1-прогнозная; 2- измереные; 3- расчетная без учета рельефа
погрешности прогноза М! составила ± (10-25) % (табл. 5).
С целью количественной оценки влияния рельефа лесного покрова на функцию ослабления были проведены расчеты М! на трассе Улан-Удэ - Катко-во для следующих двух случаев:
1. Расчет М! по прогнозным параметрам гео-электрических разрезов с учетом рельефа, но без леса (рис.4). В этом случае различие между расчетной (3) и экспериментальной (2) кривыми функции ослабления показывает, что введение лесослоя с параметрами е = 1,3, а = 1,9-10-5 См-м, Ь = 12,5 м. приводит к дополнительному ослаблению поля в среднем по трассе в 1, 6 раза.
2. Расчет М! по прогнозным параметрам гео-электрических разрезов с учетом леса, но без учета рельефа (рис. 5). В данном случае рассматривается распространение радиоволн вдоль гладкой сферы. В этом случае расхождения между расчетной (3) и экспериментальной (2) кривыми функции ослабления обусловлены влиянием рельефа. Рельеф местности на трассе распространения радиоволн приводит также к дополнительному ослаблению поля в среднем по трассе в 1,5 раза.
Таким образом в данной работе:
1. Разработана методика определения гео-электрических разрезов, основанная на использовании существующей связи между электрическими параметрами и геологическими характеристиками горных пород, а также на использовании территорий-аналогов для прогнозного распространения их характеристик на родственные в геологическом отношении территории.
2. Составлена прогнозная карта ГЭР юга Сибири, в которой в отличии от ранее составленной Кашпровским и Якуповым карты проводимости территорий СССР, учитываются слоистая структура подстилающей среды и используются данные территорий-аналогов.
3. Путем сравнения экспериментальных значений Мі на реальных трассах, пролегающих на территории данного региона с ее прогнозными значениями показана хорошая их сходимость, что указывает на возможности эффективного использования составленной прогнозной карты при проектировании радиолиний.
1. Кашпровский В.Е. Локальные проводимости почв и их распределение на территории СССР// Геомагнетизм и аэрономия. 1963. т.3, □2. С. 297-3.
2. Якупов В. С., Белобжевский С.Г., Гасанов LU.LU. и др. Карта электропроводности горных пород в зоне
вечной мерзлоты Северо-Востока СССР// Физика Земли. 19б9, □Б. С. 102-104.
3. Доржиев В.С., Адвокатов В.Р., Бодиев Б.Б. Геоэлектрические разрезы юга Сибири и Монголии. -М.: Наука, 19Б7, 92 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Башкуев Ю.Б. Электрические свойства природных слоистых сред.-Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1996, 207 с.
5. Morgan R, Maxwell E Omega, navigation system conductivity map// Office of Neval Research.- Washington, 1965.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Бодиев Б.Б, Башкуев Ю.Б, Батороев А.С. - отдел физических проблем при Президенте Бурятского НЦ СО РАН.
Файл:
Каталог:
Шаблон:
Заголовок:
Содержание:
Автор:
Ключевые слова: Заметки:
Дата создания:
Число сохранений: Дата сохранения: Сохранил:
Полное время правки: Дата печати:
При последней печати страниц: слов: знаков:
БОДИЕВ
G:\По работе в универе\2003г\Папки 2003\GIAB5_03 C:\Users\Таня\AppData\Roaming\Microsoft\Шаблоны\Normal.dotm УДК 550
edik Л
17.04.2003 13:57:00 8
08.11.2008 0:18:00
Таня
100 мин.
08.11.2008 1:04:00 5
2 707 (прибл.)
15 432 (прибл.)
