CC BY
120
УДК 550.837.82
ВОЗМОЖНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ ПРИ КАРТИРОВАНИИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
© М.А. Баранов1, С.В. Компаниец2, И.В. Буддо3, НБ. Мисюркеева4, Ю.А. Агафонов5
1Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Д4,5ЗАО «Иркутское электроразведочное предприятие», 664011, Россия, г. Иркутск, ул. Рабочая, 2а.
На основе данных, полученных на участках в Восточной и Западной Сибири, были составлены две модели геологической среды с присутствием многолетнемерзлых пород. Для каждой модели проведено математическое моделирование переходных характеристик при различных свойствах верхней части разреза. Установлено, что с помощью электроразведочного метода зондирования становлением поля в ближней зоне возможно эффективно решить задачу картирования многолетнемерзлых пород. Метод позволяет не только обеспечить нужную глубину исследования, но и с высокой чувствительностью зарегистрировать изменение свойств верхней части разреза, а также выделить границы перехода пород из мерзлого состояния в талое. Ил. 6. Табл. 2. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: электромагнитное зондирование; многолетнемерзлые породы; расчет моделей; Западная Сибирь; Восточная Сибирь.
ELECTROMAGNETIC SOUNDING POTENTIAL FOR PERMAFROST ROCKS MAPPING M.A. Baranov, S.V. Kompaniets, I.V. Buddo, N.V. Misyurkeeva, Yu. A. Agafonov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. "Irkutsk Electroprospecting Company" CJSC, 2a Rabochaya St., Irkutsk, 664011, Russia.
Based on the data obtained on some sites of Eastern and Western Siberia, two models of geological environment with the presence of permafrost rocks have been built. Mathematical modeling of transient characteristics under different properties of the upper section has been performed for each model. It is found that the application of transient electromagnetic sounding (TEM) effectively solves the problem of permafrost rocks mapping. In addition to proper investigation depth, the method also allows to register the changing in properties of the upper part of the section, as well as to identify the boundaries of rock transition from the frozen state into the thawed one. 6 figures. 2 tables. 9 sources.
Key words: electromagnetic sounding; permafrost rocks; model calculation; Western Siberia; Eastern Siberia.
Введение
Актуальность изучения многолетнемерзлых пород (ММП) в пространстве и во времени возрастает в связи с интенсивным освоением природных ресурсов Севера и новыми проявлениями изменения климата. Решение геоэкологических проблем в криолитозоне требует разностороннего анализа воздействия техно-генеза на мерзлотные компоненты природного комплекса.
Необходимой предпосылкой успешного применения электроразведочного зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ) для решения геологических, геокриологических, а также поисково-разведочных задач является различие электрических свойств горных пород в талом и мерзлом состояниях,
а также их зависимость от температуры, влажности (льдистости) и других параметров. Очевидно, перспективы дальнейшего развития метода применительно к решению проблем геокриологии ориентированы на изучение физических процессов и свойств, которые отчетливо проявляются в мерзлых породах, но практически отсутствуют в этих же породах в талом состоянии [8].
Зондирование становлением поля (ЗС) - метод электромагнитного зондирования с искусственным (контролируемым) источником, основанный на изучении поля переходных процессов, которое возбуждается в земле при импульсном изменении тока в источнике.
При исследованиях разрезов, осложненных нали-
1Баранов Максим Анатольевич, студент, тел.: 89526318119, e-mail: maks.rf09@mail.ru
Baranov Maxim, Student, tel.: 89526318119, e-mail: maks.rf09@mail.ru
2Компаниец Софья Викторовна, ведущий геофизик, тел.: 89021740251, e-mail: ksv@ierp.ru
Kompaniets Sofya, Leading Geophysicist, tel.: 89021740251, e-mail: ksv@ierp.ru
3Буддо Игорь Владимирович, ведущий геофизик, тел.: 89149291429, e-mail: biv@ierp.ru
Buddo Igor, Leading Geophysicist, tel.: 89149291429, e-mail: biv@ierp.ru
4Мисюркеева Наталья Викторовна, геолог, тел.: 89501328898, e-mail: mnv@ierp.ru
Misyurkeeva Natalia, Geologist, tel.: 89501328898, e-mail: mnv@ierp.ru
5Агафонов Юрий Александрович, генеральный директор, тел.: 89149260966, e-mail: aua@ierp.ru Agafonov Yuri, CEO, tel.: 89149260966, e-mail: aua@ierp.ru
чием многолетней мерзлоты, методы на постоянном токе не могут обеспечить достаточную глубину исследования из-за чрезвычайно высокого сопротивления промерзших пород, в то время как ЗС успешно решают эту проблему.
Проблемам изучения ММП в Восточной Сибири посвящен ряд работ [2-5].
Геоэлектрическая характеристика разреза
Для районов распространения многолетнемерз-лых пород и льдов характерны особые типы мерзлот-но-геофизических разрезов, которые обусловлены в основном физическими свойствами горных пород при отрицательных температурах. Например, плотность горных пород с увеличением льдистости уменьшается, так как лед имеет малую плотность (0,9-0,95 г/см3). Магнитная проницаемость и восприимчивость при промерзании пород не изменяются. Вместе с тем магнитная восприимчивость подземных льдов в десятки и сотни раз меньше, чем магнитная восприимчивость вмещающих пород. Удельное электрическое сопротивление льдов из пресных вод очень высокое (105108 Ом-м), а льдов из минерализованных вод - ниже (102-104 Ом-м) и зависит от содержания в них солей и их состава. Поэтому при промерзании горных пород их сопротивление возрастает обычно скачком (при температурах от -0,5 до -5°С), а иногда плавно (при температурах от -2 до -10°С). В зависимости от литологии, пористости, обводненности, особенностей термического режима, льдистости и криогенного строения сопротивление скальных пород при замерзании увеличивается не более чем в 10 раз, тонкодисперсных рыхлых пород (глины, суглинки) - в 10-100 раз, грубо-
дисперсных пород (пески, гравийно-галечниковые отложения) - в 100-1000 раз [7].
Электрохимическая активность мерзлых и талых пород может значительно различаться вследствие наличия и движения надмерзлотных и межмерзлотных вод. Вызванная поляризация (ВП) у мерзлых пород выше, чем у талых, она достигает 2-3% для мелкодисперсных пород, 10% для льда и 15% для грубодис-персных пород [8].
Согласно измерениям, выполненным на территории Якутии (Якутское кимберлитовое поле) методом зондирования ММП, поляризация может достигать 85% на участках с высокой льдистостью горных пород, образовавшейся в условиях зарегулированного стока поверхностных вод [5].
Для различных геологических условий (Надым-Тазовской синеклизы, Непско-Ботуобинской антекли-зы) на основе данных ГИС, стратиграфии районов, результатов электроразведочных работ сформированы типичные четырехслойные геоэлектрические модели верхней части разреза (ВЧР) с присутствием ММП (табл. 1). Первая геоэлектрическая модель характерна для проводящих разрезов, включающих отложения мела и палеогена. Вторая модель характерна для высокоомных разрезов, включающих породы средне-верхнекембрийского и юрского возраста.
Математическое моделирование переходных характеристик в условиях присутствия ММП
Целью моделирования являлось исследование чувствительности сигналов ЗСБ к изменениям параметров слоя, содержащего ММП: сопротивления, мощности, поляризации.
Таблица 1
Геоэлектрические модели, сформированные для условий ВЧР_
Модель Номер слоя Мощность Н, м Сопротивление р, Ом-м Свита, система Состав
1 150 250 Ирбитская, Серовская, Рд Опоки, глины, диатомиты, ММП
1 - Надым-Тазовская 2 100 8 Тибейсалинская, Рд Глины, песчаники
синеклиза 3 100 25 Ганькинская, М Алевролитистые, известковистые глины
4 50 2 Березовская, М Глины, опоки
1 50 200 Оруктахская, J1 Переслаивание алевролитов, песчаников, аргиллитов, песков, глин
2 - Непско- Ботуобинская антеклиза 2 200 50 Верхоленская, е2,3 Алевролиты и мергели, прослои песчаников и аргиллитов
3 170 250 Литвинцевская, £1,2 Плотные доломиты с прослоями аргиллитов и мергелей
4 100 300 Ангарская, е12 Доломиты ангидритизированные, засолоненные
Установка, часто применяемая при малоглубинных исследованиях методом ЗСБ, имеет следующие параметры: размер стороны генераторной петли - 100 м, приемной петли - 10 м. Регистрация осуществляется на разносах 0 и 100 м при максимальном токе 7,5 А. Данные параметры установки обеспечивают необходимую глубину зондирования 300-400 м.
Для расчета сигналов, инверсии данных, в том числе и учета вызванной поляризации [6], применялась программа MODEL 3 (Л.В. Суров), основанная на математических алгоритмах, разработанных в ИНГГ СО РАН, г. Новосибирск (Е.Ю. Антонов).
Для двух геоэлектрических моделей с изменяющимися параметрами первого слоя были рассчитаны сигналы ЗСБ.
Модель № 1
В целом сопротивление горизонтов первой модели пониженное ввиду «молодого» возраста и состава. По данным бурения и ГИС, мощность многолетне-мерзлых пород достигает 300 м, сопротивление - 150500 Ом-м. В талом состоянии породы верхнего слоя имеют сопротивление около 5-10 Ом-м. Таким образом, расчет сигналов ЗСБ проведен для следующих параметров: при закрепленном сопротивлении первого слоя 250 Ом-м последовательно изменялась мощность первого слоя: hi = 10, 50, 100, 150, 200, 300 м; затем при закрепленной мощности 150 м изменялось сопротивление: pi = 5, 30, 50, 100, 150, 200, 300 Ом-м. Далее, поскольку мерзлые породы обладают повышенной поляризацией, рассчитаны переходные характеристики с влиянием ВПИ при мощности hi = 150 м; сопротивлении pi = 250 Ом-м; времени релаксации т1 = 0,001 с; показателе степени с1 = 1; коэффициенте поляризуемости п = 5, 10, 30, 50, 70, 90%. Параметры модели Cole-Cole выбраны исходя из опыта работ и данных других авторов [4; 5].
На рис. 1 приведены графики процентных расхождений кривых электродвижущей силы (ЭДС), рассчитанных для модели № 1 и моделей с параметрами, приведенными выше. Шифры кривых: на рис. 1,а -мощность первого слоя, рис. 1,6 - сопротивление первого слоя, рис. 1,е - коэффициент поляризуемости первого слоя. Графики свидетельствуют о высокой чувствительности к присутствию ММП в верхней части
разреза для геологических условий ВЧР Надым-Тазовской синеклизы. Различие сигналов, полученных в условиях талых и мерзлых пород, составляет более 100% в промежутке 0,01-10 мс временного диапазона.
Модель № 2
Для модели № 2, характеризующей высокоомный разрез, также были рассчитаны сигналы ЗСБ с изменяющимися параметрами первого слоя - горизонта присутствия ММП. Мощность слоя hi составила 10, 20, 50, 100, 150, 200, 300 м, сопротивление слоя pi - 30, 50, 100, 200, 300, 500 Ом м. Параметры Cole-Cole: время релаксации т1 = 0,001 с; показатели степени с1 = 1; коэффициент поляризации п = 5, 10, 20, 30, 40, 50, 70, 90%. Графики расхождения ЭДС показывают высокую чувствительность к присутствию ММП в разрезе, а также изменению их параметров (рис. 2). Поляризация значительно влияет на кривые ЗСБ, вплоть до двойных переходов через ноль, и может служить индикатором ММП в разрезе при отсутствии априорных данных о слое, содержащем ММП.
Методика полевых исследований методом ЗС
При производстве полевых электроразведочных работ была применена методика профильных зондирований. Регистрация осуществлялась одновременно соосно-разнесенной установкой.
В качестве источника электромагнитного поля использовалась незаземленная квадратная петля со стороной 100 м, приемные петли со стороной 20 м на участке 1 (Надым-Тазовская синеклиза) и 10 м на участке 2 (Непско-Ботуобинская антеклиза). Шаг между приемниками составлял 100 м (рис. 3).
Одновременная регистрация соосной и разнесенной установок обладает рядом преимуществ: позволяет выявить такие осложняющие эффекты, как индукционно-вызванная поляризация и магнитная вязкость, которые далее учитываются на этапе интерпретации, а также повысить производительность работ.
Работы методом малоглубинных ЗСБ проводились с использованием цифровой телеметрической электроразведочной станции FastSnap. Преимуществом выбранной методики и аппаратуры является возможность работы в любых прироно-климатических условиях.
а) б) в)
Рис. 1. Графики процентного расхождения кривых ЭДС, рассчитанных для модели № 1 и различных параметров первого слоя: а - мощности, б - сопротивления, в - коэффициента поляризуемости (шифр кривых - значение параметра первого слоя)
а) б) в)
Рис. 2. Графики процентного расхождения кривых ЭДС, рассчитанных для модели № 2 и различных параметров первого слоя: а - мощности, б - сопротивления, в - коэффициента поляризуемости (шифр кривых - значение параметра первого слоя)
составляет 10-50 м. Вниз по разрезу отмечаются подгоризонты, сопротивление которых составляют от 2 до 30 Ом-м, что соответствует в основном глинистому составу отложений ВЧР.
Участок 2, Восточная Сибирь, Непско-Ботуобинская антеклиза
Работы методом ЗСБ проводились на участке 2 в летний период, выполнено 1500 точек наблюдения. На рис 5. приведен пример геоэлектрического разреза, построенного по результатам инверсии данных ЗСБ на одном из профилей. В разрезе выделено пять геоэлектрических горизонтов, приуроченных к основным стратиграфическим подразделениям.
Первый геоэлектрический горизонт включает в себя преимущественно терригенные отложений юрской системы и по геоэлектрическим свойствам разделяется на два подгоризонта.
Первый подгоризонт приурочен к приповерхностной части, имеет мощность около 10 м и характеризуется значениями сопротивления преимущественно 20-50 Ом-м. Пониженные значения сопротивления, вероятно, обусловлены сезонным оттаиванием.
Второй геоэлектрический подгоризонт характеризуется мощностью от 60 до 120 м и обладает повышенными значениями сопротивления 130-1000 Ом-м. К таким зонам высоких значений сопротивления комплекса, предположительно, и приурочены участки распространения ММП. Сопоставление с геокриологической картой [1] подтверждает данное предположение (см. рис. 5).
Еще одним признаком присутствия ММП является повышенная поляризуемость, влияние которой проявляется на кривых ЗСБ, полученных на соосных наблюдениях, двойным переходом через ноль (рис. 6, табл. 2).
Ниже по разрезу картируется проводящий горизонт мощностью около 30 м с пониженным сопротивлением 17-30 Ом-м и горизонт мощностью 100-120 м со средним уровнем сопротивлений 50-80 Ом-м, относящиеся к породам верхоленской свиты. Породы литвинцеской и ангарской свит по результатам ЗСБ характеризуются высокими значениями сопротивления в 200-1000 Ом-м.
Рис. 3. Схема размещения установки на профиле:
ГП - генераторная петля, ПП - приемная петля
Участок 1, Западная Сибирь, Надым-Тазовская синеклиза
Работы проводились в зимний период. Выполнено 100 точек наблюдения. Многолетнемерзлые породы на площади распространены повсеместно, мощность их колеблется от 10 до 300 м. Зоны растепления приурочены к долинам рек, озерам и морским заливам.
На рис 4. представлен геоэлектрический разрез, построенный по результатам одномерной инверсии кривых ЗСБ. Как известно, с помощью индукционных зондирований глубина до кровли проводящих слоев, перекрытых относительно менее проводящими образованиями, может быть определена с высокой точностью [3]. По данным малоглубинных исследований, верхняя часть разреза дифференцирована по геоэлектрическим свойствам пород. На глубине 50-100 м отмечается первый подгоризонт, который характеризуется высокими значениями сопротивления в 80-400 Ом-м. В районе скважин 1 и 2 высокоомные значения отмечаются до глубины 150-175 м. В районе, где профиль ЗСБ проходит через бассейн Тазовской губы, мощность многолетнемерзлых пород значительно сокращается и
30 ♦
1 р в
Рис. 4. Геоэлектрический разрез по профилю № 1:1 - пункты ЗСБ ; 2 - геоэлектрические горизонты и их сопротивления, Ом-м; 3 - разведочные скважины; 4 - предполагаемое распространение ММП
260 100
1 2 > у 3 4 5 I I 6
Рис. 5. Геоэлектрический разрез: 1 - точки ЗСБ; 2 - геоэлектрические горизонты и их сопротивления; Омм, 3 - реки; 4 - сплошное распространение многолетнемерзлых пород с присутствием радиационно-тепловых таликов до 3%; 5 - прерывистое (до 80% ММП) распространение многолетнемерзлых пород; 6 - массивно-островное (до 50%) распространение многолетнемерзлых пород [1]; 7 - предполагаемое распространение ММП
Рис. 6. Кривые кажущегося сопротивления, зарегистрированные в условиях присутствия ММП (красной линией обозначено соосное наблюдение, зеленой - разнесенное)
Таблица 2
Геоэлектрическая модель, полученная по результатам инверсии_
Номер Мощность Н, Сопротивление р, Коэффициент Время Показатель
слоя м Ом-м поляризуемости п релаксации т, с степени с
1 14 120 0,55 0,0001 0,8
2 5 44 - - -
3 95 220 - - -
4 22 14 - - -
5 54 250 - - -
6 148 250 - - -
7 170 100 - - -
Выводы
1. Результаты математического моделирования, а также полевых исследований показывают, что с помощью метода ЗСБ возможно эффективно решать задачу картирования ММП для двух условий: Непско-Ботуобинской антеклизы и Надым-Тазовской синекли-зы.
2. Расчеты переходных характеристик для моделей ВЧР, сформированных для различных геологических условий, показывают, что изменение таких параметров горизонта, как мощность, сопротивление и коэффициент поляризуемости значительно влияет на сигнал становления. Различие сигналов, полученных в условиях талых и мерзлых пород, составляет более 100% в промежутке 0,01-10 мс временного диапазона
даже при небольшом изменении параметров. То есть ЗСБ позволяет не только обеспечить нужную глубину исследования, но и с высокой чувствительностью зарегистрировать изменение свойств верхней части разреза, а также выделить границы перехода пород из мерзлого состояния в талое.
3. Регистрируемые переходные процессы над средой с наличием ММП имеют особенности в виде переходов через ноль, что свидетельствует о влиянии эффекта «быстрого» ВП, характерного для пород в мерзлом состоянии. Такие процессы не могут быть объяснены в рамках классической модели проводящей среды, а требуют усложнения - ввода коэффициента поляризуемости.
Статья поступила 22.05.2014 г.
Библиографический список
1. Гинин В.В. Отчет о гидрогеологических и инженерногеологических условиях на территории листа Р-49-XXxII. Иркутск: Изд-во Иркутскгеологии , 1994.
2. Кожевников Н.О., Артеменко И.В. Моделирование влияния диэлектрической релаксации в мерзлых породах на переходную характеристику незаземленной петли // Криосфера Земли. 2003. Т. VIII. № 2. С. 30-39.
3. Матвеев Б.К. Электроразведка. М.: Недра, 1990.
4. Ним Ю.А., Омельяненко А.В., Стогний В.В. Импульсная электроразведка криолитозоны: монография. Новосибирск: Изд-во ОИГГМ СО РАН, 1994.
5. Стогний В.В. Импульсная индуктивная электроразведка таликов криолитозоны центральной Якутии // Криосфера земли. 2008. Т. XII. № 4. С. 46-56.
6. Распространение толщи мерзлых пород в Чуйской впадине (Горный Алтай) по данным электромагнитных зондиро-
ваний / В.В. Оленченко, Н.О. Кожевников, Е.Ю. Антонов, Е.В. Поспеева, В.В. Потапов, А.Н. Шеин, С.М. Стефаненко // Криосфера земли. 2011. Т. XV. № 1. С. 15-22.
7. Гаврилов А.В. Риолитозона арктического шельфа Восточной Сибири (современное состояние и история развития в среднем плейстоцене - голоцене): автореф. дис. ... канд. д-ра геолог.-минеролог. наук: 25.00.08. М., 2008.
8. Хмелевской В.К. Геофизические методы исследования земной коры. В 2 кн. Дубна: Изд-во Международного университета природы, общества и человека «Дубна», 1997. Кн. 2.
9. Распространение многолетнемерзлых пород и инженерно-геологические процессы (Алас) // Irkipedia.ru: энциклопедия-хрестоматия Иркутской области и Байкала [Электронный ресурс]. URL:
http://irkipedia.ru/content/rasprostranenie_mnogoletnemerzlyh_p orod_i_inzhenerno_geologicheskie_processy_atlas
