CC BY
18
УДК 550.8.28: 550.837 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-1-65-73
Геофизические исследования в районе Крылатовской водозаборной скважины
Вадим Анатольевич ДАВЫДОВ*
Институт геофизики им. Ю. П. Булашевича УрО РАН, Екатеринбург, Россия Аннотация
Актуальность и цепь работы. Поверхностные источники чистой воды все сильнее истощаются. В связи с этим возрастает роль подземных источников питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения. Геофизические методы разведки могут стать эффективным инструментом поиска подземных вод. К задачам исследований относились определение возможностей магниторазведки при площадном поиске перспективных зон и выявление особенностей электромагнитных полей при аудиомагнитотеллурических и магнитовариационных зондированиях в районе действующей водозаборной скважины. Методология. Съемка магнитного поля проводилась протонным магнитометром ММП-203 (завод «Геологоразведка», г. Ленинград). Электроразведочные работы включали вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ) с аппаратурой ЭРА (ГНПП «Геологоразведка», г. Санкт-Петербург) и регистрацию аудиомагнитотеллурических полей аппаратурой ОМАР-2 (ИГФ УрО РАН, г. Екатеринбург). Результаты. Итогом магнитной съемки стала карта аномального магнитного поля изучаемой территории, на которой водообильную зону грунтовых вод коры выветривания можно выделить по структурным признакам. Зоны тектонических нарушений, перспективные на присутствие трещинно-жильных вод, уверенно выделяются положительными линейными аномалиями магнитного поля. Выяснены характерные особенности электромагнитных полей при аудиомагнитотеллурических и магнитовариационных зондированиях в районе распространения трещинных вод. Наиболее показательно поведение реальной и мнимой квадратур магнитовариационного типпера, характеризующихся минимальными значениями и переходом через ноль соответственно. По результатам электромагнитных зондирований в районе водозаборной скважины фиксируется увеличение мощности коры выветривания с уменьшением сопротивления, что является свидетельством ее обводненности.
Выводы. Определена значимость магниторазведки для уточнения структурно-геологического строения территории при поиске водонасыщенных зон. Подтверждена высокая эффективность электромагнитных зондирований на постоянном и переменном токе для определения характера, глубины залегания и мощности выявленных структур. Традиционно изучаемые при поиске и разведке подземных вод геофизические поля пополнены новыми электромагнитными параметрами. К ним относятся модуль и квадратуры магнитовариационного типпера аудиодиапазона. Результаты исследований указывают на аномальность данных параметров в отношении водоносных горизонтов, это позволяет дать обоснованные рекомендации по месту бурения эксплуатационных скважин.
Ключевые слова: подземные воды, магниторазведка, аудиомагнитотеллурическое зондирование, магнитовариационные параметры, импеданс, типпер, удельное электрическое сопротивление.
Введение
Промышленность и города потребляют огромное количество водных ресурсов, при этом недостаток чистой воды ощущается все сильнее. Поверхностные источники истощаются и загрязняются отходами жизнедеятельности человека, их дальнейшее использование возможно только после очистки. В связи с этим возрастает роль подземных источников питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения. Вопрос о выборе мест бурения водозаборных скважин с высоким дебитом является достаточно актуальным как для небольших поселений, так и для крупных муниципальных образований. Поиск подземных вод с использованием геофизических методов разведки позволяет повысить процент продуктивных эксплуатационных скважин.
Имеется множество положительных примеров комплексных геофизических исследований по поиску и разведке водоносных горизонтов [1-4]. Наиболее эффективными здесь являются электроразведочные методы, поскольку присутствие воды в горных породах понижает их удельное электрическое сопротивление (УЭС), что приводит к появлению характерных аномалий. Снижение УЭС при заполнении водой порового пространства горных пород может составлять 2...4 порядка. Перспективным направлением считается внедрение радиокомпарационных и аудиомаг-нитотеллурических методов, использующих естественные электромагнитные поля [5, 6, 7-10]. Площадная съемка геофизических полей позволяет выявить местоположение
EDdavyde@yandex.ru
https://orcid.org/0000-0003-2483-2154
перспективных участков, а с помощью электромагнитных зондирований можно идентифицировать и определить глубину залегания водоносных горизонтов.
Цель представленной работы - оценить возможности геофизических методов при поисках и разведке подземных вод. Основные задачи - определение эффективности магниторазведки при площадном поиске перспективных зон и выявление особенностей электромагнитных полей при аудиомагнитотеллурических и магнитовариацион-ных зондированиях в районе действующей водозаборной скважины.
Методы исследований
Для площадных исследований с целью уточнения структурно-геологического строения территории и выявления перспективных зон была использована магнитная съемка. Измерения модуля индукции геомагнитного поля T проводились протонным магнитометром ММП-203 (завод «Геологоразведка», г. Ленинград) по системе профилей, размеченных в крест простирания (с запада на восток) основных геологических границ. Съемка проведена без использования магнитовариационной станции. Полевые наблюдения осуществлялись ходами, замкнутыми на точках опорной сети. Опорная сеть была разбита по магистралям, соединяющим одноименные пикеты на разных профилях. Расстояние между профилями составляло 50 м, шаг наблюдений - 5 м. Оценка условий работы с последующей увязкой измеренных значений геомагнитного поля Т осуществлялась на контрольных пунктах (КП), которые выбирались на каждой магистрали в малоградиентных зонах. Качество съемки оценивалось по повторным наблюдениям на профилях и по измерениям на КП перед началом и в конце рабочего дня. Количество контрольных измерений составило около 6 % от общего объема маг-ниторазведочных работ, величина абсолютной погрешности равна ±3,8 нТл. Обработка магниторазведочных данных заключалась во введении поправки на смещение нуль-пункта и увязывании профильных наблюдений к единому уровню. В расчет брались невязки на точках опорной сети, полученных при замыкании хода, и на КП магистралей. Аномальное магнитное поле dT рассчитывалось в соответствии с моделью IGRF-12 (International Geomagnetic Reference Field) на 2015 г.
Электроразведочные работы включали вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ), аудиомагнитотеллу-рические зондирования (АМТЗ) и магнитовариационное профилирование (МВП). Вертикальные электрические зондирования проводились с аппаратурой ЭРА (ГНПП «Геологоразведка», г. Санкт-Петербург) симметричной 4-электродной установкой Шлюмберже (AMNB) с максимальными разносами AB до 500 м по традиционной методике работ, принятой при поисках месторождений полезных ископаемых [11]. Шаг наблюдений составлял 50 м. Измерения производились на частоте 4,88 Гц при токе в питающей линии от 10 до 50 мА, что позволяло получать уверенные значения разности потенциалов в приемной линии с погрешностью измерений менее 3 %. Количественная интерпретация ВЭЗ с определением величин удельных электрических сопротивлений, глубины залегания и мощности слоев проводилась с помощью программы одномерной инверсии ZondIP1d [12].
Аудиомагнитотеллурическая и магнитов ариацион-ная съемка выполнена аппаратурой ОМАР-2 (Институт геофизики им. Ю. П. Булашевича УрО РАН, г. Екатеринбург) [13] по методике скоростного измерения компонент естественного электромагнитного поля с шагом 25 м. В процессе работы последовательно производилась двух-канальная запись взаимно перпендикулярных составляющих электромагнитного поля при различных положениях датчиков. Регистрация сигналов велась в частотном
диапазоне 100___15 000 Гц со стелющейся незаземленной
линией, расположенной вдоль профиля Ey и магнитного датчика H, ориентированного поперек профиля, а затем с ортогональной пары магнитных датчиков Hx, H. Общее время наблюдения на точке составляло 5_6 мин. В качестве электрической линии использовалась 10-метровая емкостная антенна с предварительным усилителем, магнитные компоненты измерялись с помощью активных индукционных датчиков АМД-50 чувствительностью 50 мВ/нТл, имеющих линейную амплитудно-частотную характеристику в заданном диапазоне частот.
Камеральная обработка аудиомагнитотеллурических данных включала получение частотных спектров поперечного импеданса среды Z = E /Hx и типпера Wx = HJ H [14] на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Затем производился расчет кажущегося сопротивления по известной формуле, используемой в магнитотеллури-ческих исследованиях [15]:
pa (w) = |Z и^шц^
где w - круговая частота; ц - магнитная проницаемость воздуха, ц = 4п ■ 10-7 Гн/м.
Полученные частотные спектры аудиомагнитотеллу-рических и магнитовариационных параметров подвергались специальной трансформации, учитывающей влияние поверхностных отложений, с конечным построением глубинных разрезов [16, 17].
Полный граф обработки зарегистрированных сигналов включал следующие операции:
- цифровую фильтрацию индустриальных помех;
- вычисление частотных спектров составляющих электромагнитного поля и их отношений с помощью БПФ в режиме накопления;
- восстановление истинных амплитуд сигналов с учетом амплитудно-частотных характеристик измерительных каналов и датчиков сигналов;
- расчет частотных аудиомагнитотеллурических (АМТ) кривых кажущегося сопротивления pa f);
- преобразование АМТ кривых в глубинный разрез кажущихся сопротивлений pa (Нф с помощью оригинального алгоритма трансформации;
- пересчет абсолютных значений типпера W и его квадратур из частотной области в диапазон глубин в соответствии с полученными соотношениями при преобразовании АМТ кривых;
- дополнительно производилось построение разреза эффективной продольной проводимости S = Нэф/ра, на котором аномалии электропроводности выделяются более контрастно.
В результате обработки получены глубинные разрезы кажущихся сопротивлений, эффективной продольной
X, м
400-
300-
200-
100
^^^fev^l^Bvvvwvv */J^K^AAVV S^B < X « ¡в}^'
AVA". .'
Ьу&у
9W,*W*\-.
■ V*VVV\V ■ ' "AVA8//-
-100
-200-
dT, нТп 150
100
50
ПК40 _
-50
-100
700
У, м
к х IK х
- ■■
) оЗо
Рисунок 1. Карта аномального магнитного поля dT Крылатовского участка с нанесенной геологической основой: 1 - плагиограниты; 2 - базальты; 3 - туфы; 4 - андезиты; 5 - тектонические нарушения.
Figure 1. Map of the anomalous magnetic field dT of the Krylatovskaya area with a geological basis: 1 - plagiogranites; 2 - basalts; 3 -tuffs; 4 - andesites; 5 - tectonic disturbances.
проводимости, реальных и мнимых квадратур типпера и его модуля. Данные построения позволяют оценить характер распределения электрофизических свойств по глубине, выделить локальные геоэлектрические неоднородности и связать природу геофизических полей с геологическим строением.
Результаты работ
Геофизические работы на Крылатовской площади проводились с целью поисков и предварительной оценки дополнительных источников питьевой воды вблизи существующего водозабора. Попутно проводились уточнение геологического строения, оконтуривание границ горных пород, слагающих район работ, выявление разломов и зон трещиноватости, перспективных в плане присутствия и накопления подземных вод.
Участок работ расположен в 35 км на юго-запад от г. Екатеринбурга и захватывает территорию к востоку от пос. Крылатовский. На западе площади залегают плагиограниты Новоалексеевского массива. Массив формировался в тектонически активной зоне, что подтверждается развитием в нем многочисленных разрывных нарушений. Тектоника проявляется также развитием мощных зон рассланцевания [18]. С запада Новоалексеевский массив ограничен Дегтярским региональным разломом, с востока - тектоническим контактом с вулканитами кунгурков-ской свиты. Многочисленные мелкие тела плагиогранитов
прорывают вулканогенные породы, состоящие из лав, туфов базальтов и туфопесчаников основного состава. Вмещающие породы залегают субвертикально и характеризуются частой фациальной изменчивостью по вертикали и латерали. Образованиям кунгурковской свиты отвечает отрицательное (до -300... - 400 нТл) магнитное поле. Аномалии интенсивностью от -50 до +500 нТл фиксируют обогащенные магнетитом разности пород. Сложное знакопеременное поле наблюдается в экзоконтактах интрузий и в тектонических зонах. Простирание основных геологических структур района - субмеридиональное [19].
В гидрогеологическом отношении район расположен в пределах системы бассейнов грунтовых вод зон трещи-новатости, в породах среднего и нижнего палеозоя восточного склона Урала. Подземные воды участка относятся к трещинно-жильному типу и приурочены к мезозойской коре выветривания и зонам повышенной трещиновато-сти скальных массивов, водоупором для них служат монолитные горные породы.
Водоснабжение пос. Крылатовский осуществляется от одной водозаборной скважины, расположенной в 700 м восточнее населенного пункта. Скважина пробурена в советские времена в процессе геологоразведочных работ до глубины более 100 м. Характеризуется высоким дебетом. Она в течение нескольких десятилетий снабжает поселок водой, однако назрел вопрос о бурении новой скважины
а
Расстояние,м
Рисунок 2. Результаты электромагнитных зондирований вблизи Крылатовской водозаборной скважины: а - геоэлектрический разрез ВЭЗ; б - трансформированный разрез кажущегося сопротивления АМТ. Нумерация пикетов (ПК) кратна 10 м. Figure 2. Results of electromagnetic sounding near the Krylatovskaya water well: а - geoelectric section of Vertical Electrical Sounding (VES); b - transformed section of apparent resistance АМТ. Survey stakes numbering is in increments of 10 m.
для дополнительного забора воды. Для выбора перспективного места было решено провести геофизические наблюдения вблизи эксплуатационной скважины, а затем проследить и выявить схожие структуры на окружающей территории. Для этого были произведены площадная съемка магнитного поля в окрестностях водозабора (рис. 1) и электрометрические измерения на контрольном профиле методами ВЭЗ, АМТЗ и МВП.
Аномальное магнитное поле на исследованной площади участка изменяется в пределах от -100 до +150 нТл, что позволяет выделить по магнитным свойствам горные породы разного состава. На участке работ были отмечены помехи, связанные с присутствием ЛЭП и металлических объектов, например трубопровода. В непосредственной близости от таких объектов уровень магнитного поля скачкообразно изменялся до 1000 нТл. Чтобы устранить стороннее влияние, измерения проводились на удалении 10...20 м от источника помех, где аномалии, связанные с техногенными объектами, полностью исчезали. Все зарегистрированные антропогенные аномалии были отбракованы при последующей обработке. Площадная съемка выявила наличие субмеридиональной полосы с положительной аномалией магнитного поля, сопровождаемой ступенчатыми перепадами. Данная линейная структура на геологической карте соответствует тектоническому контакту Новоалексеевского гранитного массива с вулканическими породами кунгурковской свиты. Результаты рекогносцировочных геологических маршрутов подтвердили, что на западе участка залегают плагиограниты, а в восточной части - андезиты, базальты и их туфы. В пределах гранитного массива преобладает низкий уровень магнитного поля (-50...-100 нТл). Зона влияния меридионального разлома шириной от 50 до 120 м, отделяющая гранитоиды от вулканитов, характеризуется повышенным
уровнем (+50...+150 нТл). Затем восточнее следуют три ступенчатых перепада магнитного поля, которые на геологической карте участка соответствуют базальтам, туфам и андезитам. Водозаборная скважина располагается в районе распространения туфов, в 250 м восточнее зоны разлома. Прилегающая к скважине область отмечается локальной отрицательной аномалией магнитного поля до -100 нТл. В плагиогранитах юго-западной части участка положительными линейными аномалиями выделяется оперяющая тектоника северо-западного и северо-восточного направления. Таким образом, с помощью магниторазведки можно выделить на исследуемой площади области распространения горных пород различных видов вместе с зонами тектонических нарушений. Перспективную зону, связанную с полосой распространения туфов, можно оконтурить по структурным признакам. Наиболее водообильные участки в пределах этой зоны предполагается идентифицировать по локальным отрицательным аномалиям магнитного поля, которые, вероятно, возникают за счет выщелачивания акцессорного магнетита в зоне активного водообмена. Кроме водоносного горизонта, приуроченного к коре выветривания туфов, в районе поселка развиты трещинно-жильные воды, связанные с зонами повышенной трещиноватости скальных массивов. Пути миграции таких вод проходят по тектоническим трещинам и зонам разломов на глубине от 20.30 до более 200 м. Разгрузка в виде родников осуществляется в местный базис дренирования - реку Кунгурку. Положительные линейные аномалии магнитного поля позволяют довольно уверенно выделить зоны тектонических нарушений, также перспективных в плане потенциальных источников водоснабжения.
Характер поведения электрометрических параметров в районе распространения подземных вод кор
0 50 100 150 200 250 300 350 400
б
Расстояние, м
Рисунок 3. Результаты АМТЗ и МВП вблизи Крылатовской водозаборной скважины: a - разрез эффективной продольной проводимости; б - разрез модуля типпера Wx.
Figure 3. Results of audiomagnetotelluric (AMT) sounding and geomagnetic-variation profiling near the Krylatovskaya water well: a -
effective longitudinal conductance cross-section; b -tipper module cross-section Wx.
выветривания изучался на контрольном профиле, проходящем вблизи водозаборной скважины в крест простирания основных геологических структур. Результаты электромагнитных зондирований показали, что мощность рыхлых отложений в пределах профиля изменяется в диапазоне от 20 до 50 м (рис. 2).
Геоэлектрический разрез ВЭЗ и трансформированный глубинный разрез АМТЗ имеют схожие черты строения и близкие значения электросопротивлений, несмотря на различие физических процессов с участием постоянных и вихревых токов. Все электроразведочные методы хорошо работают в проводящих средах, в особенности при гальваническом заземлении. Изоляторы служат экраном для прохождения постоянного тока, однако не являются препятствием при индукционных методах возбуждения и приема. Из этого следует, что результаты интерпретации ВЭЗ более точны для верхней части разреза, а данные АМТЗ более достоверны в отношении коренных пород основания. Таким образом, используемые методы взаимно дополняют друг друга в плане получения информации.
Удельные электрические сопротивления коренных пород составляют 1000.3000 Ом х м, кора выветривания характеризуется значениями 150.400 Ом х м. В районе скважины (пикет ПК20) фиксируется самая большая мощность коры выветривания с самым низким сопротивлением (р = 50 Ом х м), что свидетельствует о ее обводненности. По результатам количественной интерпретации ВЭЗ, водоносный слой мощностью 40 м залегает между двумя водоупорами - верхним 10-метровым слоем суглинков (р = 24 Ом х м) и массивом (р = 700 Ом х м) снизу. Учитывая, что породы основания разреза имеют пониженные УЭС, можно сделать предположение об их трещиноватости. Трещиноватый характер горных пород, связанный с тектоникой, наблюдается в начале профиля
(ПК0-ПК4), однако здесь мощность коры выветривания в два раза меньше, а сопротивление достигает 400 Ом х м.
Далее представлены другие электрометрические параметры, полученные с помощью АМТЗ и МВП. Эффективная продольная проводимость 5эф позволяет выделять хорошо проводящие слои в разрезе. К ним относятся рыхлые отложения с высоким содержанием глинистой компоненты (рис. 3, а).
Так, приповерхностный слой влажных суглинков мощностью до 10.15 м отмечается повышенной электропроводностью 0,5.1,5 См, в то время как для остальных пород она не превышает 0,2 См. Пониженные значения 5эф в верхней части разреза (ВЧР) вблизи скважины вызваны возникновением «депрессионной воронки» за счет постоянной откачки. Модуль типпера ^^ в окрестностях водозаборной скважины характеризуется максимальными значениями по краям и минимумом в центре скважины. Это неплохо согласуется с теоретическими расчетами переменного магнитного поля для модели с проводящим пластом [20]. Считается, что магнитовариационное профилирование служит для выделения и локализации геоэлектрических горизонтально неоднородных структур. Однако в складчатых областях, в частности на Урале, не считая маломощных приповерхностных отложений, все структуры имеют субвертикальную направленность. Переменное магнитное поле практически везде имеет аномальный характер, в особенности в диапазоне аудиочастот. Таким образом, изучение характера поведения различных квадратур типпера может привести к получению новой коррелированной информации о геологическом строении и свойствах горных пород. В связи с этим большой интерес представляет поведение реальных и мнимых частей типпера, которые ранее никогда не рассматривались в
а
dT, нТл
100 -л
отн.ед.
150 200 250 Расстояние,м
Г'5
12,5 1,5 0,5 -0,5
11,2 0
Im Wzx, -1,2 отн.ед.
-2,4
-3,6
Рисунок 4. Результаты магниторазведки и магнитовариационных измерений по профилю вблизи Крылатовской водозаборной скважины: a - график аномального магнитного поля dT; б - разрез реальной части типпера ReWzx; в - разрез мнимой части типпера ImW .
ZX
Figure 4. Results of magnetic prospecting and lateral geomagnetic variation measurements near the Krylatovskaya water well: a -
anomalous magnetic field graph dT; b - tipper real part cross-section ReW ; c - tipper imaginary part cross-section ImW .
виде глубинных разрезов. Для оценочного сопоставления служит график аномального магнитного поля Земли вдоль профиля (рис. 4).
Реальная квадратура типпера по общему виду
близка к модулю \ №гх\, однако она более детально выделяет неоднородности разреза, которые характеризуются отрицательными значениями. Так, в районе скважины фиксируется довольно контрастная локальная отрицательная аномалия Мнимая квадратура типпера 1тМ вы-
глядит еще более информативно, с ее помощью можно определить границы всех структурно-геологических элементов разреза. Так, базальтам (ПК0-ПК12), характеризующимся положительными значениями аномального магнитного поля (йТ = 0...+80 нТл), соответствуют крайние отрицательные величины 1тМ < -1,0. Андезиты с ровным уровнем йТ ~ - 50 нТл (ПК28-ПК40) отличаются положительными значениями мнимой квадратуры 1тЖ > 0,5. А туфы (ПК12-ПК28) с резкими перепадами магнитного поля от нуля до -100 нТл и средним уровнем йТ « -70 нТл занимают промежуточное положение значений 1тМ ~ ±0,5. При этом в районе скважины происходит переход через ноль мнимой квадратуры типпера со сменой знака.
Знакопеременная аномалия наблюдается по всей глубине разреза: в коренных породах она практически вертикальна, а в районе коры выветривания аномалия имеет сложный характер с двойной сменой знака. Следует отметить, что на разрезе мнимой части типпера также хорошо выделяются приповерхностные отложения ВЧР, имеющие небольшие отрицательные значения 1тЖ ~ -0,1...-0,3.
Заключение
Результаты выполненных работ позволяют выделить по магнитным свойствам область залегания вулканических пород, с корой выветривания которых связан основной водоносный горизонт. Бурение дополнительной водозаборной скважины рекомендуется провести в 200.400 м севернее существующей, в сходных геологических условиях. Для более детальной привязки можно применить магнитовариационное профилирование. Место бурения будет определяться минимальными значениями реальной квадратуры типпера и переходом через ноль мнимой квадратуры. В плане потенциальных источников водоснабжения также перспективны трещинно-жильные воды тектонических зон. Положительные линейные аномалии магнитного поля позволяют довольно уверенно выделить
зоны разрывных нарушений. Наиболее перспективной может считаться зона пересечения меридионального разлома с оперяющим тектоническим нарушением на южной окраине участка работ.
Приведенные примеры указывают на большие возможности геофизических методов при поисках подземных вод. Определена значимость магниторазведки для уточнения структурно-геологического строения территории при площадных исследованиях перспективных водонасыщенных зон. Подтверждена высокая эффективность электромагнитных зондирований на постоянном и переменном токе для определения характера, глубины залегания и мощности выявленных структур. Выяснены характерные особенности электромагнитных полей при
аудиомагнитотеллурических и магнитовариационных зондированиях в районе распространения грунтовых вод коры выветривания. Традиционно изучаемые при поиске и разведке подземных вод геофизические поля пополнены новыми электромагнитными параметрами. К ним относятся модуль, а также реальные и мнимые квадратуры магнитовариационного типпера аудиодиапазона. Указанные параметры аномальны в отношении водоносных горизонтов, что позволяет дать обоснованные рекомендации по месту бурения эксплуатационных скважин.
Применение геофизических методов исследований при поисках и разведке вод может значительно повысить число скважин с высоким дебетом для хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Farzamian M., Ribeiro J. A., Khalil M. A., Santos F. A. M., Kashkouli M. F., Bortolozo C. A., Mendonpa J. L. Application of transient electromagnetic and audio-magnetotelluric methods for imaging the Monte Real aquifer in Portugal // Pure and Applied Geophysics. 2019. Vol. 176, № 2. Р. 719735. https://doi.org/10.1007/s00024-018-2030-7
2. Goldman M., Neubauer F. M. Groundwater exploration using integrated geophysical techniques // Surveys in geophysics. 1994. Vol. 15, № 3. Р. 331-361. https://doi.org/10.1007/BF00665814
3. McNeill J. D. Use of electromagnetic methods for groundwater studies // Geotechnical and Environmental Geophysics. 1990. Vol. 1, № 5. Р. 191-218. https://doi.org/10.1190/1.9781560802785
4. Meju M. A., Fontes S. L., Oliveira M. F. B., Lima J. P. R., Ulugergerli E. U., Carrasquilla A. A. Regional aquifer mapping using combined VES-TEM-AMT/EMAP methods in the semiarid eastern margin of Parnaiba Basin, Brazil // Geophysics. 1999. Vol. 64, № 2. P. 337-356. https://doi. org/10.1190/1.1444539
5. Blake S., Henry T., Muller M. R., Jones A. G., Moore J. P., Murray J., Campanya J., Vozar J., Walsh J., Rath V. Understanding hydrothermal circulation patterns at a low-enthalpy thermal spring using audio-magnetotelluric data: a case study from Ireland // Journal of Applied Geophysics. 2016. № 132. P. 1-16. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2016.06.007
6. Carlson N. R., Paski P. M., Urquhart S. A. Applications of controlled source and natural source audio-frequency magnetotellurics to groundwater exploration // Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems. 2005. P. 585-595. https://doi. org/10.4133/1.2923511
7. Shan C., Kalscheuer T., Pedersen L. B., Erlstrom M., Persson L. Portable audio magnetotellurics - experimental measurements and joint inversion with radiomagnetotelluric data from Gotland, Sweden // Journal of Applied Geophysics. 2017. Vol. 143. P. 9-22. https://doi.org/10.1016/j. jappgeo.2017.05.002
8. Sharma S. P., Panda K. P., Jha M. K. Resolving suppression ambiguity in Schlumberger sounding data through joint interpretation with audio-magnetotelluric (AMT) data // Advances in modeling and interpretation in near surface geophysics. Cham: Springer, 2020. P. 1-18. https://doi. org/10.1007/978-3-030-28909-6_1
9. Tarabees E. A., Tewksbury B. J., Mehrtens C. J. Younis A. Audio-magnetotelluric surveys to constrain the origin of a network of narrow synclines in Eocene limestone, Western Desert, Egypt // Journal of African Earth Sciences. 2017. Vol. 136. P. 168-175. https://doi.org/10.1016/j. jafrearsci.2017.03.001
10. Xu Z. M., Tang J. T., Li G., Xin H. C., Xu Z. J., Tan X. P., Li J. Groundwater resources survey of Tongchuan city using audio magnetotelluric method // Applied Geophysics. 2019. P. 1-12. https://doi.org/10.1007/s11770-018-0709-2
11. Матвеев Б. К. Электроразведка при поисках месторождений полезных ископаемых. М.: Недра, 1985. 375 с.
12. Каминский А. Е. Программа для интерпретации ВЭЗ и ВЭЗ-ВП ZondIP1d. URL: http://zond-geo.com/software/resistivity-imaging-ves/ zondip1d/
13. Давыдов В. А. Универсальный полевой геофизический приемник ОМАР-2 // Приборы и техника эксперимента. 2016. № 6. С. 127-128. https://doi.org/10.7868/S0032816216060252
14. Berdichevsky M. N., Dmitriev V. I. Models and methods of magnetotellurics. Berlin: Springer, 2009, 563 c. https://doi.org/10.1007/978-3-540-77814-1
15. Cagniard L. Basic theory of the magneto-telluric method of geophysical prospecting // Geophysics. 1953. № 18. Р. 605-635. https://doi. org/10.1190/1.1437915
16. Анищенко Г. Н. О трансформациях импеданса при магнитотеллурических зондированиях // Прикладная геофизика. Недра, 1994. Вып. 130. С. 48-66.
17. Давыдов В. А. Способ преобразования аудиомагнитотеллурических данных с учетом априорной информации // Геофизические исследования. 2016. Т. 17, № 4. С. 57-66.
18. Сазонов В. Н., Огородников В. Н., Коротеев В. А., Поленов Ю. А. Месторождения золота Урала. Екатеринбург: УГГГА, 1999. 570 с.
19. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:200 000. М. С. Рапопорт (ред.). Изд. 2-е. Сер. Среднеуральская. Лист O-41-XXXI: объясн. записка. М.: МФ ВСЕГЕИ, 2017. 180 с.
20. Ermolin E., Ingerov O. Distortion of local magnetovariational anomalies by effect of regional structures // Problems of Geocosmos-2018. Cham: Springer, 2020. P. 3-10. https://doi.org/10.1007/978-3-030-21788-4_1
Статья поступила в редакцию 26 октября 2020 года
УДК 550.8.28: 550.837 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-1-65-73
Geophysical surveys in the area of the Krylatovskaya water well
Vadim Anatol'evich DAVYDOV*
Bulashevich Institute of Geophysics of the Ural Branch of RAS, Ekaterinburg, Russia Abstract
Relevance and purpose of the work. Surface sources of clean water are increasingly depleted. In this regard, the role of underground sources of drinking and domestic water supply is increasing. Geophysical exploration methods can be an effective tool for finding groundwater. The tasks of the research included determining the possibilities of magnetic prospecting in the areal search for promising zones, and identifying the features of electromagnetic fields during audiomagnetotelluric and magnetovariational soundings in the area of an operating water well. Methodology. The magnetic field was surveyed with an MMP-203 proton magnetometer (Geologorazvedka plant, Leningrad). Electrical exploration included vertical electrical sounding (VES) with ERA equipment (GNPP Geologorazvedka, St. Petersburg) and recording of audio magnetotelluric fields with OMAR-2 equipment (IGF UB RAS, Ekaterinburg).
Results. The result of the magnetic survey was a map of the anomalous magnetic field of the study area, where the water-abundant groundwater zone of the weathering crust can be distinguished by structural features. The zones of tectonic faults, promising for the presence of fractured-vein waters, are confidently distinguished by positive linear anomalies of the magnetic field. The characteristic features of electromagnetic fields during audiomagnetotelluric and magnetovariational soundings in the area of distribution of fractured waters have been clarified. The most revealing behavior is the behavior of the real and imaginary quadratures of the magnetovariational tipper, characterized by minimum values and zero crossing, respectively. According to the results of electromagnetic sounding, an increase in the thickness of the weathering crust with a decrease in resistance is recorded in the area of the water intake well, which is evidence of its water cut.
Conclusions. The significance of magnetic prospecting for clarifying the structural and geological structure of the territory when searching for water-saturated zones has been determined. The high efficiency of electromagnetic soundings on direct and alternating current was confirmed to determine the nature, depth and power of the identified structures. Traditionally studied, in the search and exploration of groundwater, geophysical fields are replenished with new electromagnetic parameters. These include the module and quadratures of the audio range magnetovariational tipper. The research results indicate that these parameters are anomalous in relation to aquifers, which allows us to give reasonable recommendations on the location of drilling production wells.
Keywords: groundwater, magnetic prospecting, audiomagnetotelluric sounding, magnetovariational parameters, impedance, tipper, electrical resistivity.
REFERENCES
1. Farzamian M., Ribeiro J. A., Khalil M. A., Santos F. A. M., Kashkouli M. F., Bortolozo C. A., Mendonça J. L. 2019, Application of transient electromagnetic and audio-magnetotelluric methods for imaging the Monte Real aquifer in Portugal. Pure and Applied Geophysics, vol. 176, no.
2, pp. 719-735. https://doi.org/10.1007/s00024-018-2030-7
2. Goldman M., Neubauer F. M. 1994, Groundwater exploration using integrated geophysical techniques. Surveys in geophysics, vol. 15, no. 3, pp. 331-361. https://doi.org/10.1007/BF00665814
3. McNeill J. D. 1990, Use of electromagnetic methods for groundwater studies. Geotechnical and environmental geophysics, vol. 1, no. 5, pp. 191-218. https://doi.org/10.1190/1.9781560802785
4. Meju M. A., Fontes S. L., Oliveira M. F. B., Lima J. P. R., Ulugergerli E. U., Carrasquilla A. A. 1999, Regional aquifer mapping using combined VES-TEM-AMT/EMAP methods in the semiarid eastern margin of Parnaiba Basin, Brazil. Geophysics, vol. 64, no. 2, pp. 337-356. https://doi. org/10.1190/1.1444539
5. Blake S., Henry T., Muller M. R., Jones A. G., Moore J. P., Murray J., Campanyà J., Vozar J., Walsh J., Rath V. 2016, Understanding hydrothermal circulation patterns at a low-enthalpy thermal spring using audio-magnetotelluric data: A case study from Ireland. Journal of Applied Geophysics, no. 132, pp. 1-16. https://doi.org/10.1016/jjappgeo.2016.06.007
6. Carlson N. R., Paski P.M., Urquhart S. A. 2005, Applications of controlled source and natural source audio-frequency magnetotellurics to groundwater exploration. Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems, pp. 585-595. https://doi. org/10.4133/1.2923511
7. Shan C., Kalscheuer T., Pedersen L. B., Erlstrom M., Persson L. 2017, Portable audio magnetotellurics - experimental measurements and joint inversion with radiomagnetotelluric data from Gotland, Sweden. Journal of Applied Geophysics, vol. 143, pp. 9-22. https://doi.org/10.1016/jjappgeo.2017.05.002
8. Sharma S. P., Panda K. P., Jha M. K. 2020, Resolving Suppression Ambiguity in Schlumberger Sounding Data Through Joint Interpretation with Audio-Magnetotelluric (AMT) Data. Advances in Modeling and Interpretation in Near Surface Geophysics, Springer, Cham, pp. 1-18. https://doi. org/10.1007/978-3-030-28909-6_1
EDdavyde@yandex.ru
https://orcid.org/0000-0003-2483-2154
9. Tarabees E. A., Tewksbury B. J., Mehrtens C. J. Younis A. 2017, Audio-magnetotelluric surveys to constrain the origin of a network of narrow synclines in Eocene limestone, Western Desert, Egypt. Journal of African Earth Sciences, vol. 136, pp. 168-175. https://doi.org/10.1016/j. jafrearsci.2017.03.001
10. Xu Z. M., Tang J. T., Li G., Xin H. C., Xu Z. J., Tan X. P., Li J. 2019, Groundwater resources survey of Tongchuan city using audio magnetotelluric method. Applied Geophysics, pp. 1-12. https://doi.org/10.1007/s11770-018-0709-2
11. Matveev B. K. 1985, Electrical exploration in the search for mineral deposits. Moscow, 375 p. (In Russ.)
12. Kaminsky A. E. 2020, Program for the interpretation of VES and VES-VP ZondIP1d. URL: http://zond-geo.com/software/resistivity-imaging-ves/zondip1d/ (In Russ.)
13. Davydov V. A. 2016, Universal field geophysical receiver OMAR-2. Instruments and experimental equipment, no. 6, pp. 127-128. (In Russ.) https://doi.org/10.7868/S0032816216060252
14. Berdichevsky M. N., Dmitriev V. I. 2009, Models and methods of magnetotellurics. Springer, Berlin, 563 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-77814-1
15. Cagniard L. 1953, Basic theory of the magneto-telluric method of geophysical prospecting. Geophysics, no. 18, pp. 605-635. https://doi. org/10.1190/1.1437915
16. Anishchenko G. N. 1994, About transformations of an impedance at magnetotelluric sounding. Prikladnaya geofizika, Moscow, vol. 130, pp. 48-66. (In Russ.)
17. Davydov V. A. 2016, A method for converting audiomagnetotelluric data taking into account a priori information. Geophysical exploration, vol.
17. no. 4, pp. 57-66. (In Russ.)
18. Sazonov V. N., Ogorodnikov V. N., Koroteev V. A., Polenov Yu. A. 1999, Gold deposits of the Urals. Ekaterinburg, 570 p. (In Russ.)
19. 2017. State geological map of the Russian Federation. Scale 1: 200,000. M. S. Rapoport (ed.). Second edition. Series Sredneuralskaya. Sheet O-41-XXXI. Explanatory letter. Moscow Branch of FSBE "VSEGEI", Moscow, 180 p. (In Russ.)
20. Ermolin E., Ingerov O. 2020, Distortion of Local Magnetovariational Anomalies by Effect of Regional Structures. Problems of Geocosmos-2018, Springer, Cham, pp. 3-10. https://doi.org/10.1007/978-3-030-21788-4_1
The article was received on October 26, 2020
