CC BY
69
УДК: 550.838.3, 550.8.053
Д.И. Хасанов, Э.В. Утемов, И.И. Нугманов, Б.М. Насыртдинов
Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань utemov@mail.ru, nusmumrik@gmail.com
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ МАГНИТНОГО ПОЛЯ МЕТОДОМ ФРАКТАЛЬНОГО
АНАЛИЗА
В работе приведена оригинальная методика обработки данных высокоточной магнитной съемки с применением теории фракталов. По результатам интерпретации фрактальных характеристик магнитного поля выявлены признаки вторичных изменений геологической среды под влиянием миграции углеводородов.
Ключевые слова: магнитная съемка, аномальное магнитное поле, фрактальная размерность, показатель Хёр-ста, вторичные изменения геологической среды.
Введение
Проблема исследования миграции углеводородов в осадочном чехле - чрезвычайно актуальная задача с точки зрения реконструкции геологической истории месторождений углеводородов, их поисков и разведки. С этой точки зрения соединения железа являются очень эффективными индикаторами изменяющейся геохимической обстановки.
Их широкое распространение в осадочных горных породах позволяет проводить исследования практически по-
всеместно. Потенциал магнитометрических методов в этом смысле огромен. Более глубокое понимание природы изменений магнитных параметров пород осадочного чехла, в целом, позволит найти новые эффективные инструменты для изучения процессов в осадочном чехле, инициированных углеводородами.
Активные эпигенетические процессы, инициированные углеводородами, приводят к изменению и формированию новых минералов железа. При этом в значительных
Окончание статьи Б.И. Гизатуллина, Р.В. Архипова, Е.А. Сулеймановой «Исследование гидратации бентонитовых глин методом ядерного магнитного резонанса»
ЯМР. Сб. статей «Структура и динамика молекулярных систем». Т.1. №2. 1999.
Carr H.Y., Purcell E.M. Effects of diffusion on free precission in Nuclear Magnetic Resonance experiments. Phys. Rev. 1954. V. 94. 630.
Cruz M.I., Letellier M., Fripiat J.J. NMR study of adsorbed water. II. Molecular motions in the monolayer hydrate of halloysite. J. Chem. Phys. 1978. Vol. 69. №5. 2018.
Delville A., Letellier M. Structure and Dynamics of Simple Liquids in Heterogeneous Condition: An NMR Study of the Clay-Water Interface. Langmuir. 1995. Vol. 11. № 4. 1361.
Fripiat J., Cases J., Francois M. Thermodynamic and microdynamic behavior of water in clay suspensions and gels. J. Colloid and Interface Sci. 1982. Vol. 89. № 2. 378.
Hougardy J., Fripiat J.J., Stone W. E. E. NMR study of adsorbed water. I. Molecular orientation and protonic motions in the two-layer hydrate of a Na vermiculite. J. Chem. Phys. 1976. Vol. 64. №9. 3840.
Hensen E. J. M., Tambach T. J., Bliek A. Adsorption isotherms of water in Li-, Na-, and K-montmorillonite by molecular simulation. J. Chem. Phys. 2001. Vol. 115. № 7. 3322.
Korb J.P. Surface dynamics of liquids in porous media. Magnetic Resonance Imaging. 2001. Vol. 19. 363.
Koyuncu H. Adsorption kinetics of 3-hydroxybenzaldehyde on native and activated bentonite . Appl. Clay Sci. 2008. Vol. 38. 279.
Melkior T., Gaucher E.C., Brouard C. et al. Na+ and HTO diffusion in compacted bentonite: Effect of surface chemistry and related texture. Journal of Hydrology. 2009. Vol. 370. 9.
Mitchell J., Webber J. B.W., Strange J.H. Nuclear magnetic resonance cryoporometry. Phys. Rep. 2008. Vol. 461. 1.
Nagashima K. Influence of Magnetic Impurities on Proton Spin Relaxation of Water in Clay. Appl. Magn. Reson. 2006. Vol. 30. 55.
Nakashima Y. Nuclear Magnetic Resonance Properties of Water-Rich Gels of Kunigel-V1 Bentonite. J. Nucl. Sci. Technol. 2004. Vol. 41. № 10. 981.
Nakashima Y., Mitsumori F. H2O self-diffusion restricted by clay platelets with immobilized bound H2O layers: PGSE NMR study of water-rich saponite gels. Appl. Clay Sci. 2005. Vol. 28. 209.
Rossi S., Luckham P.F., Tadros T.F. et al. NMR solvent relaxation studies of Na+-montmorillonite clay suspensions containing non-ionic polymers. Colloids Surf. 2002. Vol. 201. 85.
B.I. Gizatullin, R.V. Archipov, E.A. Suleymanova. Study of hydration of bentonite clays by a nuclear magnetic resonance method.
The nuclear magnetic relaxation times Tj and T2 of water protons in two types bentonites (Dash-Salakhly (Azerbaijan), Tarn-Warn (Russia, Tatarstan)) were studied by nuclear magnetic resonance method. The hydration of sodium Dash-Salakhly bentonites includes three stages: adsorption of water molecules on montmorillonite surfaces; water adsorption between montmorillonite layers; the separation of montmorillonite layers and gel formation. It was found that the second stage of hydration of calcium Tarn-Warn bentonites is completed at concentration of water 61 %wt. with no separation of montmorillonite layers. At this concentration the lamination of sample into water and the turgent bentonite occurs.
Keywords: NMR, bentonite, hydration, adsorption, montmorillonite.
Булат Илъдарович Гизатуллин инженер кафедры физики молекулярных систем.
Руслан Викторович Архипов к.физ.-мат.н., инженер кафедры физики молекулярных систем.
Елена Алексеевна Сулейманова инженер кафедры физики молекулярных систем
Казанский (Приволжский) федеральный университет. Институт Физики.
420008, Казань, ул. Кремлевская, 18. Тел.: (843)231-51-89.
р- научно-техническим журнал
6 (42) 2011 I еоресурсы
объемах горных пород изменяются магнитные свойства. Проникновение углеводородов приводит к восстановлению железа и при достаточном парциальном давлении серы - к формированию сульфидов железа (пирит, пирротин и др.). В слабо-восстановительных зонах на фронте углеводородного потока подвижность железа существенно повышается, и происходит интенсивный вынос железа. И наконец, на границе восстановительной и окислительной обстановок (глубины от 600-800 м до 100-200 м) формируются участки с повышенным содержанием магнитных минералов железа (грейгит, магнетит - в зависимости от геохимической обстановки).
Очевидно, что необходимым фактором активной флю-идодинамики является наличие ослабленных, проницаемых областей в осадочном чехле, по которым может происходить миграция флюидов, как по вертикали, так и по латерали. В данном случае, под названием «ослабленные, проницаемые» области мы понимаем разломы и структуры похожие на них. Ограниченная латеральная миграция может частично проходить по проницаемым пластам и трещинам. Кроме того, на магнитные свойства горных пород могут существенно влиять диффузионные и биологические процессы (деятельность сульфатредуцирущих бактерий и т.д.).
Таким образом, в осадочном чехле формируются контрастные в магнитном отношении зоны и объекты, которые находят свое отражение в тонкой структуре локального магнитного поля.
Одним из способов изучения подобных процессов является исследование фрактальных характеристик магнитного поля.
Многочисленные публикации последнего времени свидетельствуют о том, что проявления фрактальности, самоподобия, масштабной инвариантности в геологии и геофизике чрезвычайно распространены (Turcotte, 1992; Mandelbrot, 1982). Более того, в работе (Turcotte, 1992), например, говорится о том, что этим понятиям нужно обучать студентов-геологов в первую очередь. Фракталь-нось в достаточно широком диапазоне масштабов проявляется и в аномалиях магнитного поля. В работе (Утёмов, 1998; 2000) было показано, что аномалии вертикальной
Рис. 1. Энергетический спектр магнитного поля по данным аэромагнитной съемки на территории Республики Татарстан.
составляющей магнитного поля (исследовались аномалии на территории Республики Татарстан и прилегающих территориях) на масштабах, соответствующих залеганию источников в теле кристаллического фундамента, имеют чётко выраженную фрактальную структуру.
Объект исследования
В региональном тектоническом плане объект исследования в пределах Баллаевской и Южно-Елховской структур расположен на западном склоне Южного купола Татарского свода и приурочен к осложняющему его Акташ-ско-Новоелховскому валу. Восточная граница участка проходит по Алтунино-Шунакскому грабенообразному прогибу (Войтович, Гатиятуллин, 1998). Объект исследования расположен в пределах лицензионных границ Ново-Елхов-ского месторождения нефти (Мингазов, 2005; Муслимов и др., 2008).
Структурно-геологический план объекта исследования характеризуется унаследованным развитием с общим выхолаживанием в верхней части разреза. Куполовидные антиклинальные поднятия малой амплитуды контролируют размещения залежей углеводородов. В верхней части разреза происходит расчленение крупных единых структур на многовершинные малоплощадные поднятия низшего порядка, что обусловлено развитием эро-зионно-тектонических врезов. Тектонические нарушения, выявленные по поверхности кристаллического фундамента, имеют грабенообразную природу с преобладанием субмеридионального простирания. В толще осадочного чехла тектонические нарушения вырождаются в зоны повышенной трещиноватости и зоны нарушения сейсмической записи.
Методика изучения фрактальных характеристик аномального магнитного поля
Существует большое число методов оценки фрактальных характеристик (Mandelbrot, 1982; Федер, 1991; Божо-кин, Паршин, 2001). Одним из наиболее простых и распространенных способов вычисления размерности фрактальных функций является метод абсолютных приращений (АПФ). В рамках этого метода определяются средние абсолютные приращения исследуемой функции в зависимости от шага приращения. Для фрактальных функций эта зависимость имеет степенной характер.
В работе (Утемов, 2000) было показано, что энергетические спектры магнитных аномалий AZ с хорошей степенью приближения могут быть аппроксимированы функ-
Рис. 2. Зависимость {\ЛЦЛ r)|> поля 4Z на цией вида (Рис 1): территории РТ.
Рис. 3. Карта аномального магнитного поля.
8(о>)^агае-кш. (1)
На территории Республики Татарстан для параметров а и к были получены значения а = 0,71, к = 1,92. Этот эмпирический результат поясняется с помощью горизонтально-слоистой модели магнитоактивной среды с вертикальным статистически фрактальным распределением намагниченности.
В рамках этой модели параметр а связан с фрактальной размерностью распределения намагниченности соотношением
поля график зависимости в билогарифмическом масштабе испытывает перегиб, что также хорошо укладывается в представленную модель среды. При этом, на малых масштабах кривая зависимости аппроксимируется прямой линией, наклон которой зависит от параметра к, а на больших масштабах - прямой линией, наклон которой зависит от параметра Б. (Рис.2).
Интерес представляет точка пересечения этих двух прямых. Ее положение крайне чувствительно к углу наклона между прямыми и становится неустойчивым при малых углах. В свою очередь, такая ситуация может быть только в случае, если граница поверхности раздела сред нечетко выражена, имеет фрактальный характер.
Для изучения расположения таких областей была использована методика вычисления локальной фрактальной размерности, в предположении пространственной распределенности свойств фрактальных характеристик (Утёмов, 1998). Измеряемым параметром являлся показатель Хёрста Н (коразмерность), связанный с фрактальной размерностью, в случае функции двух координат, соотношением Б==3—Н.
а =--£>
(2)
а параметр к - представляет собой глубину залегания верхней кромки модели магнитоактивной среды. В частности, для территории Республики Татарстан были получены следующие оценки средних значений фрактальной размерности и глубины залегания верхней кромки модели: £=1,7+0,07, к = 1,85+0,2 км, что соответствует двухслойной модели: осадочный чехол - кристаллический фундамент.
По данным фрактального анализа магнитного
Рис. 4. Карта глубин залегания точки перегиба фрактальной коразмерности.
6 (42) 2011
^ научно-техническим журнал
Георесурсы
Рис. 5. Распределение значений показателя Хёрста на малых масштабах.
Практические расчеты методом АПФ для различных геофизических данных (гравимагнитные, геоэлектрические аномалии, сейсмические временные разрезы, данные ГИС и др.) свидетельствуют о том, что степенные зависимости выполняются в ограниченном интервале масштабов. Как правило, функции, изображенные в двойном логарифмическом масштабе, испытывают характерный излом в случае структурных изменений в распределении соответствующего физического параметра в геологической среде с ростом глубины.
Методика наземной магнитной съемки
Магнитная съемка проводилась в непрерывном режиме с дискретизацией времени отсчета 3 секунды (что соответствует расстоянию между точками наблюдения, примерно равному 5 м). Расстояния между профилями варьировались, в зависимости от условий наблюдений, в интервале 50-100 м.
Для полевых работ использовались цифровые цезиевые (абсолютные) магнитометры G-859 Mineral MagTM (Geometries).
Для регистрации вариаций геомагнитного поля использовались цифровые протонные (абсолютные) магнитометры MMPOS-1.
Регистрация вариаций геомагнитного поля проводилась в автоматическом режиме, с временной дискретезацией отсчета 15 секунд. Временная привязка измерений проводилась путем синхронизации всех часов с кварцевым хронометром магнитометра на контрольном пункте. Точность синхронизации составила ±5 секунд.
Предварительная обработка результатов магнитных съемок включала в себя следующие этапы:
- введение поправки за вариации геомагнитного поля;
- анализ контрольных измерений и оценка ошибки измерений;
- исключение техногенных аномалий;
- построение карты аномального магнитного поля.
После введения поправки за вариации, на основе контрольных измерений вычислена средне-
Рис. 6. Распределение значений показателя Хёрста на больших масштабах.
квадратическая погрешность измерений, которая составила ±3 нТл.
Топогеодезическая привязка пунктов наблюдения проводилась с использованием средств спутниковой навигации (антенна Novatel Smart Antenna™). Точность привязки составила ±4 м.
Результаты работ и их обсуждение
На рисунках 3-5 представлены карты аномального магнитного поля (модуль вектора магнитной индукции) и фрактальных характеристик магнитного поля (глубины расположения точки перегиба и значений показателя Хёр-ста на малых масштабах). Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы.
1. Осадочный чехол в пределах территории исследования может быть представлен в виде двухслойной пет-ромагнитной модели. Карта на рис. 4, по сути, представляет собой карту глубин залегания поверхности, разделяющей две среды с разной степенью магнитной неоднородности.
2. Верхний слой имеет мощность 400-600 м. Показатель Хёрста при этом принимает значения от 0,6 до 0,98 (Рис. 5). Распределение значений фрактальной коразмерности явным образом контролируется особенностями структурного строения территории работ. В частности, Южно-Елховская структура в плане совпадает с областью относительно высоких значений фрактальной размерности. Данный факт, вероятнее всего, говорит о значительных эпигенетических преобразованиях осадочных горных пород под действием углеводородов на глубину до 600 м (Рис. 4). Геологический разрез над Баллаевской структурой, напротив, характеризуется относительно низкими значениями фрактальной размерности, что может указывать на отсутствие интенсивной миграции углеводородов вверх по разрезу.
3. Показатель Хёрста нижнего слоя изменяется в пределах от 0,15 до 0,33 (Рис. 6). Высокая магнитная неоднородность этой части разреза обусловлена влиянием кристаллического фундамента и геохимических процессов, протекающих вблизи его поверхности.
Заключение
Карты распределения фрактальных характеристик аномального магнитного поля отражают сложность магнитного поля и дают обобщенную информацию о степени вторичного преобразования геологической среды. Зоны высокой фрактальной размерности наблюдаются в местах интенсивной миграции углеводородов в верхней части осадочного чехла. В нижней части разреза (в том числе в фундаменте) происхождение этих аномалий может быть связано с процессами низкотемпературного метаморфизма, связанными с восходящей миграцией флюидов и энергии (тепла).
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проект № 2010-218-01-192).
Войтович Е.Д., Гатиятуллин Н.С. Тектоника Татарстана. Казань: Изд-во КГУ. 1998. 140.
Мигназов М.Н. Оценка перспектив нефтеносности осадочной толщи Татарстана на основе неотектонических исследований. М.: Изд-во: ВНИИОЭНГ. 2005. 160.
Муслимов Р.Х., Абдулмазитов Р.Г., Хисамов Р.Б., Миронова Л.М., Гатиятуллин Н.С., Ананьев В.В., Смелков В.М., Тухватуллин Р.К., Успенский Б.В., Плотникова И.Н., Войтович Е.Д. Нефтегазо-носность Республики Татарстан. Геология и разработка нефтяных месторождений. Казань: Изд-во ФЭН АН РТ. 2007. 316.
Утёмов Э.В. Некоторые аспекты использования анализа фрактальных свойств геофизических данных при их геологической интерпретации. Казань: Изд-во Казан. ун-та. 1998. 11.
Утёмов Э.В. Фликкер-шумовая структура энергетических спектров природных магнитных аномалий. Мониторинг геологической среды: активные эндогенные и экзогенные процессы. Материалы Первой Всероссийской конференции. 2000. 333-336.
Федер Е. Фракталы. М.: Мир. 1991. 260.
Mandelbrot B.B. The Fractal Geometry of Nature. San Francisco. 1982. 460.
Turcotte D.L. Fractals and chaos in geology and geophysics. Cambridge University Press. New York. 1992. 221.
D.I. Khasanov, E.V. Utemov, I.I. Nugmanov, B.M. Nasyrtdinov. Investigation of fine structure of magnetic field using fractal analysis methods.
The paper contains an original technique for processing high-precision magnetic survey using the theory of fractals. According to the results of interpretation of fractal characteristics of the magnetic field showed signs of secondary alteration of the geological environment under the influence of hydrocarbon migration.
Keywords: magnetic surveys, the anomalous magnetic field, fractal dimension, Hurst exponent, secondary changes in the geological environment.
Дамир Ирекович Хасанов
к.геол.-мин.н., доцент кафедры геофизики Института геологии и нефтегазовых технологий. Научные интересы: поиск и разведка месторождений горючих ископаемых, палеомагнетизм и магнетизм горных пород.
Эдуард Валерьевич Утемов к.геол.-мин.н., доцент кафедры геофизики Института геологии и нефтегазовых технологий. Научные интересы: обработка и интерпретация потенциальных геофизических полей.
Ильмир Искандарович Нугманов ассистент кафедры геофизики Института геологии и нефтегазовых технологий. Научные интересы: геодинамика, современные движения Земной коры, неотектоника, геоинформационные системы и технологии.
Булат Мансурович Насыртдинов инженер кафедры геофизики Института геологии и нефтегазовых технологий. Научные интересы: обработка и интерпретация данных геофизических исследований скважин.
Казанский (Приволжский) федеральный университет. 420008, Казань, ул. Кремлевская, 18. Тел.: (843)292-72-88, (843)233-73-75.
р- научно-техническим журнал
6 (42) 2011 I еоресурсы
Литература
Божокин C.B., Паршин Д.А. Фракталы и мультифракталы. Ижевск: НИЦ. Регулярная и хаотическая динамика. 2001. 128.
