CC BY
0
УДК 550.837, 551.345
Вестник СПбГУ. Науки о Земле. 2023. Т. 68. Вып.4
Изучение анизотропии мерзлых пород на полигоне Хановей (Республика Коми) по данным радиомагнитотеллурических зондирований c контролируемым источником и электротомографии*
Н. Ю. Бобров1, А. А. Шлыков1, А. К. Сараев1, В. С. Исаев2, А. И. Балахнин1
1 Санкт-Петербургский государственный университет,
Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9
2 Научный центр изучения Арктики,
Российская Федерация, 629008, Салехард, ул. Республики, 20
Для цитирования: Бобров, Н. Ю., Шлыков, А. А., Сараев, А. К., Исаев, В. С., Балахнин, А. И. (2023). Изучение анизотропии мерзлых пород на полигоне Хановей (Республика Коми) по данным радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником и электротомографии. Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле, 68 (4), 696-716. https://doi.org/10.21638/spbu07.2023.405
Представлены результаты совместной инверсии данных радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником (РМТ-К) и электротомографии (ЭТ), полученных на мерзлотном полигоне Хановей под Воркутой. Геологический разрез в районе работ сложен четвертичными водно-ледниковыми, озерно-ледниковыми и аллювиальными отложениями мощностью до 60 м, перекрывающими толщу песчаников, алевролитов и аргиллитов пермского возраста. Работы РМТ-К проводились с использованием в качестве источника заземленной электрической линии длиной 480 м в диапазоне частот 1-1000 кГц. Выполнено сравнение результатов различных вариантов инверсии: 1) изотропной одномерной (Ш) инверсии данных РМТ-К; 2) изотропной двумерной (2Б) инверсии отдельно данных РМТ-К и ЭТ; 3) совместной анизотропной Ш инверсии данных РМТ-К и ЭТ. По результатам совместной анизотропной инверсии данных РМТ-К в дальней и промежуточной зонах источника и данных ЭТ выявлена связанная с горизонтальной слоистостью вертикальная анизотропия мерзлых четвертичных глинистых отложений, залегающих в интервале глубин от 2 до 15-20 м, и определены ее параметры: горизонтальное и вертикальное удельное сопротивление и коэффициент анизотропии. На геоэлектрическом разрезе, полученном по данным ЭТ, мощность анизотропного слоя мерзлых глинистых отложений существенно завышена. Для средней части разреза в интервале глубин от 15-20 до 60-70 м, характерны относительно низкие значения удельного сопротивления (десятки омметров). Это согласуется с результатами предшествующих исследований, согласно которым верхняя часть толщи пермских отложений находится в талом состоянии и является трещиноватой и водонасыщенной. В основании геоэлектрического разреза по данным РМТ-К выявлен высокоомный слой (сотни омметров). Значительное увеличение удельного сопротивления пермских пород с глубиной подтверждается данными вертикальных электрических зондирований, выполненных ранее на Хановейской площади.
* Исследование проводилось при поддержке гранта РНФ № 21-47-04401 и Ресурсного центра «Геомодель» Научного парка СПбГУ
© Санкт-Петербургский государственный университет, 2024
Ключевые слова: многолетнемерзлые породы, анизотропия электрических свойств, электротомография, радиомагнитотеллурические зондирования, контролируемый источник.
1. Введение
Анизотропия свойственна многим горным породам, имеющим слоистую структуру. Вертикальная анизотропия горизонтально-слоистой среды проявляется в том, что ее удельное электрическое сопротивление (УЭС) в направлении поперек прослоев (вертикальное УЭС, pV ) больше УЭС в направлении вдоль прослоев (горизонтальное УЭС, pH ). Количественной мерой анизотропии является коэффициент анизотропии А = ^pV / ря . В электроразведке УЭС, определяемое по данным методов постоянного тока (вертикального электрического зондирования — ВЭЗ, электротомографии — ЭТ), как правило, превышает УЭС, определяемое по данным индукционных методов (метода переходных процессов — МПП, частотного зондирования — ЧЗ) (Шевнин, 2012). Это связано с различной структурой электромагнитного поля при гальваническом и индуктивном возбуждении. Индукционная составляющая поля зависит от pH, гальваническая составляющая в случае анизотропной среды определяется средним геометрическим значением поперечного и продольного УЭС pm =^pVpH (Maillet, 1947; Ваньян, 1965; Краев, 1965). Если проводить инверсию данных методов постоянного тока без учета анизотропии, то мощность анизотропных слоев будет завышена (теоретически — в А раз), что неоднократно отмечалось в работах разных авторов (Иванов и др., 2011; Шевнин и др., 2013; Demirci et al., 2017).
Вертикальная анизотропия широко распространена в мерзлых породах, особенно в тонкодисперсных, где поровая влага содержится преимущественно в виде пленок связанной воды на поверхности минеральных зерен. При этом полное вымерзание влаги практически никогда не происходит при относительно небольших отрицательных температурах (несколько градусов ниже нуля), характерных для большинства мерзлых толщ. Промерзание в поле силы тяжести при наличии вертикального градиента температуры сопровождается миграцией незамерзшей влаги к фронту промерзания и образованием горизонтальных шлиров льда и слоистых криотекстур (Ершов, 2002). Чередование прослоев льда-изолятора и проводящей исходной породы приводит к образованию макро-анизотропной среды. Это свойство мерзлых пород важно учитывать при их изучении методами электроразведки. На основе определения параметров анизотропии созданы подходы к определению льдистости, важного параметра мерзлых толщ, учет которого необходим при проведении строительных работ в криолитозоне (Рекомендации..., 1989; Фролов, 1998).
Для корректной интерпретации данных в случае вертикально анизотропных разрезов нужно комплексировать методы постоянного и переменного тока. Чаще всего предлагается сочетать методы ВЭЗ и ЭТ с МПП (Jupp and Vozoff, 1977; Raiche et al., 1985; Иванов и др., 2011). Еще одним индукционным методом, нашедшим широкое применение в инженерной геофизике, является метод радиомагнитотел-лурических (РМТ) зондирований. Разработаны алгоритмы совместной инверсии данных РМТ и ЭТ, продемонстрировавшие свою эффективность для повышения
достоверности получаемых моделей (Candansayar and Tezkan, 2008; Kalscheuer et al., 2010; Каминский и др., 2015). Расширенными возможностями по выявлению анизотропии обладает метод радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником (РМТ-К) — заземленной электрической линией (кабелем конечной длины) (Сараев и др., 2014; Saraev et al., 2017). Электромагнитное поле такого источника в промежуточной зоне содержит как индукционную, так и гальваническую составляющие, что позволяет при инверсии сузить пространство эквивалентных моделей и определить коэффициент анизотропии разреза (Shlykov and Saraev, 2015; Shlykov et al., 2019). В дальней зоне, где в поле данного источника остается только индукционная составляющая, эффективна совместная инверсия данных РМТ-К и ЭТ (Shlykov et al., 2021). Алгоритм совместной инверсии реализован в программе CS1D для одномерной (1D) инверсии в дальней и промежуточной зонах контролируемого источника с учетом токов смещения (Шлыков, 2014).
Метод РМТ-К ранее показал свою эффективность и высокую производительность при работах в районах распространения многолетнемерзлых пород, в том числе в зимний период в сложных условиях заземления, когда может быть реализовано преимущество измерений электрического поля с использованием незазем-ленных (емкостных) приемных линий (Shlykov et al., 2020; Saraev et al., 2022). Для выяснения возможности изучения вертикальной анизотропии УЭС мерзлых пород при совместном использовании РМТ-К и ЭТ в сентябре 2022 г. был выполнен полевой эксперимент на мерзлотном полигоне Хановей кафедры геокриологии Московского государственного университета.
2. Участок работ
Учебно-научный полигон Хановей (Воркутинский район, Республика Коми) предоставляет большие возможности для сравнительных мерзлотоведческих и геолого-геофизических исследований. Полигон расположен между железнодорожной линией Котлас — Воркута и правым берегом р. Воркута рядом с железнодорожной станцией Хановей (рис. 1). Верхняя часть разреза на полигоне сложена четвертичными водно-ледниковыми, озерно-ледниковыми и аллювиальными отложениями, залегающими на коренных породах пермского возраста, представленных переслаивающимися песчаниками, алевролитами, аргиллитами. Мощность многолетне-мерзлых пород в районе полигона по результатам предшествующих работ оценивалась в диапазоне от 40 до 95 м (Котов и Гордеева, 2022). Криологические условия полигона характеризуются большим разнообразием. На участке интенсивно происходят процессы термокарста и речной термоэрозии, развиваются талики разных типов, что приводит к значительной неоднородности разреза по электрическим свойствам. На полигоне имеются термометрические скважины, пробуренные на основании результатов мерзлотной сьемки по выделенным ключевым участкам. Данные инженерно-геологического бурения и термометрии используются для валидации геофизических данных (результатов электроразведки, радарных исследований и т. д.) (Tananaev et al., 2021; Котов и Гордеева, 2022; Rossi et al., 2022).
Ненецкий АО Архангельская обл.
«5
ст. Хановей ф-
•cRB.39-3 ,»-™
Ямало-Ненецкий АО
Республика Коми
Лабытнанги
Рис. 1. Карта-схема расположения учебно-научного полигона Хановей. Доступно на: Ы^://«'«'^ openstreetmap.org; врезка — https://www.bing.com/maps [Дата доступа 10.02.2023]. Красным цветом на врезке обозначено расположение генераторной линии РМТ-К, синим цветом — профили измерений. Желтой точкой обозначено положение водозаборной скважины 39-Э
на станции Хановей
3. Используемые методы 3.1. Электротомография
Электротомография — современная разновидность метода сопротивлений, основанного на гальваническом возбуждении в земле постоянного или низкочастотного переменного электрического тока и измерении возникающей при этом разности потенциалов, которая зависит от электрических свойств среды. Изменяя расстояние между токовыми и приемными электродами — разнос — можно регулировать глубину исследования, осуществляя электрическое зондирование. Для проведения ЭТ используются многоэлектродные косы и многоканальная аппаратура (Dahlin, 2001; Бобачев и др., 2006). Каждый электрод может выполнять роль токового и приемного, коммутация электродов осуществляется программно. В результате инверсии данных ЭТ получают двумерный (2D) геоэлектрический разрез — распределение УЭС по профилю и по глубине. Глубина исследования при использовании стандартных кос достигает нескольких десятков метров. Имея сеть параллельных профилей, можно получать трехмерные (3D) изображения среды.
ЭТ широко применяется для решения разнообразных геотехнических и экологических задач (Loke et al., 2013), в том числе в районах распространения многолет-немерзлых пород (Kneisel et. al., 2008; Hauck, 2013; Briggs et al., 2017). Электрические свойства мерзлых отложений являются индикатором их состояния. Как правило, при промерзании УЭС пород резко возрастает, что связано со скачкообразным уменьшением доли свободной воды. При оттаивании происходит обратный процесс. Однако, кроме температуры, УЭС зависит также от литологического состава пород и минерализации поровой влаги, а также от криотекстуры.
В сентябре 2019 г. на полигоне Хановей были выполнены измерения методом ЭТ по четырем профилям длиной 235 м, проложенным на первой береговой террасе на правом берегу р. Воркута (Rossi et al., 2022). Для измерений использовалась комбинация трехэлектродной и дипольной установок. По данным съемки была установлена значительная неоднородность участка по электрическим свойствам. Исходя из значений УЭС были определены вариации глубины активного слоя, выявлен талик в северо-западной части участка. Породы с УЭС 200-600 Ом • м были определены как мерзлые, по данным ЭТ их мощность в пределах участка оценивалась в диапазоне от 30 до 50 м. В то же время авторами было отмечено, что полностью полагаться на данные ЭТ для определения подошвы мерзлоты нельзя, поскольку разрешающая способность электроразведки уменьшается с глубиной, и в данном случае оценки находятся на пределе глубинности метода. Кроме того, УЭС мерзлых пород зависит от многих факторов.
Данные измерений с трехэлектродной установкой, представленные в статье (Rossi et al., 2022) и находящиеся в открытом репозитории, были использованы в настоящей работе для совместной инверсии с данными РМТ-К.
3.2. Радиомагнитотеллурические зондирования с контролируемым источником
Метод РМТ-К представляет собой современную высокочастотную модификацию метода ЧЗ, в основе которого лежит явление скин-эффекта, то есть зависимость глубины проникновения в землю электромагнитного поля от его частоты. Рабочий диапазон частот в методе РМТ-К составляет 1-1000 кГц. В качестве источника используется горизонтальный магнитный диполь (вертикальная петля) (Bastani, 2001) или горизонтальный электрический диполь (заземленный на концах кабель конечной длины) ^raev et al., 2017). Использование электрического диполя предпочтительнее, поскольку данный источник поля обладает большим дальнодействием, позволяет создавать высокочастотное электромагнитное поле, и при этом имеется возможность помимо сигнала основной частоты измерять ее нечетные субгармоники, что значительно повышает производительность работ. Однако индуктивный источник — вертикальная петля — проще в развертывании и может иметь преимущество, если сложно организовать заземления. Глубина исследований методом РМТ-К достигает 200 м.
Схема измерений в методе РМТ-К с использованием горизонтального электрического диполя аналогична применяемой в широко известном методе CSAMT (Controlled Source Audio Magnetotellurics) (Zonge and Hughes, 1991). Источник (генераторная линия) устанавливается вдоль направления профилей наблюдения.
Работы чаще всего проводят в дальней зоне источника, однако результаты могут быть получены и в промежуточной зоне. Измеряются компоненты поля Ex и Щ с определением импеданса Zxy, при этом, как правило, приемная электрическая линия ориентируется по профилю. Для измерений электрического поля обычно используются бесконтактные приемные линии, хотя могут применяться и заземляемые линии. Применение бесконтактных приемных линий позволяет выполнять измерения в летнее время при плохих условиях для заземления и в зимнее время по снегу и льду, а также реализовать измерения импеданса в движении. При использовании двух ортогональных источников возможно проведение тензорных измерений и определение тензора импеданса (8агаеу et а1., 2023). Однако работы с применением этого варианта дороже и оправданы в районах со сложной геологией.
Для перекрытия диапазона частот от 1 до 1000 кГц обычно достаточно трех-четырех основных частот генератора. Каждая из частот имеет до 9-12 измеряемых субгармоник, что позволяет с их помощью перекрыть интервал более декады. При обработке данных измерений значения кажущегося сопротивления (рк), фазы импеданса (ф2 ), модуля и фазы типпера вычисляются так же, как в методе магни-тотеллурических зондирований (Бердичевский и Дмитриев, 2009).
Измерения методом РМТ-К на полигоне Хановей проводились вдоль четырех профилей, по которым имелись данные ЭТ. Поскольку как ЭТ, так и РМТ-К исследования выполнялись в одно время года (в сентябре), можно ожидать, что температурные и геокриологические условия в верхней части разреза были близкими. Источником для метода РМТ-К была заземленная генераторная линия длиной 480 м. Генераторная линия располагалась на продолжении линий профилей так, чтобы измерения были выполнены на оси источника — в области, максимально чувствительной к вертикальной компоненте УЭС. Зондирования РМТ-К проводились с шагом 10 м, расстояние между точками измерения и ближайшим заземлением генераторной линии составляло от 95 до 340 м. При этом низкочастотная часть кривых зондирования соответствовала промежуточной зоне, а высокочастотная часть — дальней зоне источника.
Схема измерений показана на рис. 2. Они проводились с генератором ОТ8-1 и регистратором И.МТ-5 (Saraev et а1., 2017), измерялись только горизонтальная компонента электрического поля вдоль линий профилей ^х) и ортогональная ей горизонтальная компонента магнитного поля ^у), то есть использовался скалярный вариант. Для измерений в каждой точке поле возбуждалось последовательно на частотах 0.5, 5 и 50 кГц. Так как форма тока генератора GTS-1 представляет собой прямоугольный меандр, измерение нечетных субгармоник основной частоты позволило построить детальные кривые частотного зондирования в диапазоне 1-1000 кГц. Примеры автоспектров компоненты Щ электромагнитного поля генераторной линии в трех частотных диапазонах и соответствующие графики когерентности между компонентами Ex и Щ для пикета 100 м (ПК-100) на профиле 2 представлены на рис. 3. Можно видеть, что для каждой возбуждаемой частоты регистрируются 9 нечетных субгармоник (с 3-й по 19-ю), при этом когерентность для них превышает уровень 0.8, принимаемый нами за нижний предел для надежной оценки передаточных функций (импеданса и типпера). В диапазоне 100-1000 кГц этот уровень превышают также сигналы нескольких радиостанций, однако в данной работе для построения кривых зондирования они не использовались.
Рис. 2. Схема измерений на полигоне Хановей:
1 — профили ЭТ; 2 — генераторная линия РМТ-К; 3 — точки измерения методом РМТ-К. Желто-красным кружком выделен ПК-100 на профиле 2, для которого на рис. 3 и 5 приведены результаты измерений и инверсии данных
-0.5 о
Частота, кГц
Частота, кГц
100
1000
Частота, кГц
Рис. 3. Автоспектры компоненты Ну электромагнитного поля в диапазонах: ■ 1-10 кГц, частота возбуждения 0.5 кГц; б — 10-100 кГц, частота возбуждения 5 кГц; 100-1000 кГц, частота возбуждения 50 кГц. Цифры на спектрах соответствуют частотам (кГц) нечетных субгармоник (3-19) основной частоты
4. Инверсия данных
Инверсия полученных данных выполнялась в различных вариантах:
1. Изотропная 2D инверсия данных ЭТ в программе ZondRes2D1.
2. Изотропная 1D инверсия данных РМТ-К с учетом промежуточной зоны в программе CS1D (Шлыков, 2014).
3. Изотропная 2D инверсия данных РМТ-К с учетом промежуточной зоны в программе MARE2DEM (Key, 2016).
4. Анизотропная совместная 1D инверсия данных РМТ-К с учетом промежуточной зоны и данных ЭТ в программе CS1D (Shlykov et al., 2021).
При совместной инверсии для каждой точки РМТ-К из массива данных электротомографии выбирались те трехэлектродные измерения, центры приемных диполей которых располагались в непосредственной близости от нее (±2 м). Были использованы данные, полученные как с прямой (AMN), так и с обратной (MNB) трехэлектродной установкой. Для получения итоговой кривой, подаваемой в инверсию, на каждом разносе бралось среднее геометрическое значение кажущегося сопротивления.
Для совместной инверсии использовался алгоритм Левенберга — Марквардта (Marquardt, 1963):
Здесь Дш — вектор приращений параметров модели на к + 1-й итерации, Дш = (шк + 1 - шк); Дdw — взвешенный вектор невязок данных, Дdw = W(d - Р(ш)), где d — вектор измеренных данных, Б(ш) — вектор рассчитанных данных для модели ш, W — диагональная матрица весов; ^ = WJ, где J — матрица Якоби, содержащая частные производные данных по параметрам модели; в — множитель Лагранжа или сглаживающий параметр; I — единичная матрица, а индекс Т обозначает операцию транспонирования.
При совместной инверсии данных постоянного тока и РМТ-К использовались следующие векторы данных и модели (индекс БС обозначает данные ВЭЗ, индекс С8Б.МТ — данные РМТ-К) (8Ыукоу й а1., 2021):
Дш =
(jWJw +ß2i)- jwда
(1)
CSRMT
Доступно на: http://zond-geo.com [Дата доступа 10.02.2023].
DC
где рк — кажущееся сопротивление на постоянном токе для произвольном установки; pCSRMT — кажущееся сопротивление в методе РМТ-К; фС§кмт — фаза импеданса в методе РМТ-К; ря — горизонтальное УЭС слоев; ру — вертикальное УЭС слоев; h — их мощность. Функция signlog(x) = sign(x) • log(|x| + 1) использована, чтобы сделать диапазон изменения фазы импеданса соизмеримым с диапазоном изменения log (рк ).
При логарифмической трансформации данных и параметров модели соответствующие элементы матрицы Якоби имеют следующий вид:
dl°g (рк/) _ mj дрк тФг - dsi8nl°g (фш) _ /i дФг
4 с^ (т.) Рк/ дт}' 4 с^ (т.) * т'
где / — индекс параметра данных;. — индекс параметра модели.
5. Результаты работ
На рис. 4 приведены частотные срезы кажущегося сопротивления и фазы импеданса по данным РМТ-К для частот 550, 55 и 5.5 кГц. Пространственные вариации рк и ф2 указывают на значительную горизонтальную неоднородность верхней части разреза, связанную с изменением толщины активного слоя и чередованием участков талых пород и мерзлых пород с различной льдистостью. Низкие значения рк в северо-западном углу участка (между ПК-160 и ПК-240 на профилях 3 и 4) на частотах 550 и 55 кГц и высокие значения фазы на частоте 550 кГц связаны с наличием глубокого талика, выявленного ранее по данным ЭТ (Rossi et al., 2022). Срезы на частоте 5.5 кГц соответствуют большей глубине проникновения электромагнитного поля и демонстрируют плавное изменение электрических свойств в нижней части разреза от южной к северной границе участка. Отрицательные значения фазы на срезе для частоты 5.5 кГц связаны с промежуточной зоной контролируемого источника.
Пример результатов совместной инверсии (полевые и расчетные кривые зондирований и одномерная анизотропная модель) для ПК-100 на профиле 2, для которого на рис. 3 приведены автоспектры сигнала, представлен на рис. 5. Геоэлектрические разрезы по профилю 2, построенные по результатам различных инверсий, приведены на рис. 6. Рельеф местности на участке работ слабо выражен (перепад высот на 240 м профиля не превышает 3 м), что дало основание не учитывать его при инверсии.
На рис. 5 наглядно демонстрируется, что кривая кажущегося сопротивления для ВЭЗ лежит существенно выше соответствующей кривой РМТ-К. Это различие — результат влияния вертикальной электрической анизотропии в третьем сверху слое модели. Коэффициент анизотропии в этом слое оценивается средним значением 2.24, то есть вертикальное УЭС превышает горизонтальное в 5 раз. На отдельных пикетах величина Л достигает 4.7 (рис. 6, 3). На высоких частотах поле источника в методе РМТ-К соответствует полю вертикально падающей плоской волны и зависит от величины рн. Поле постоянного тока содержит гальваническую составляющую и определяется значением pm. Без учета анизотропии построить единую модель, отвечающую как данным ЭТ, так и данным РМТ-К, не удается.
550 кГц
55 кГц
5.5 кГц
С-3 рк, Ом-м
550 кГц
I
Пр-4
С-3
Фг.
Пр-4
/сю /г» ¡¿'с? г&а . > лл?
Рис. 4. Частотные срезы кажущегося сопротивления (а) и фазы импеданса (б) на разных частотах. Цветовые шкалы фазы для частоты 5.5 кГц и частот 55 и 550 кГц различны. Пунктиром показаны профили измерений. Масштаб на границах участка работ указан в метрах
юо-
1000
100
3 с; 100-
50
е I
10 100 Частота, кГц
1000
10 100 АО/2, м
10 100 1000 р, Ом'м
Рис. 5. Результаты совместной 1Б анизотропной инверсии данных ЭТ и РМТ-К для ПК-100 на профиле 2: а — кривые РМТ-К: 1 — амплитудная полевая кривая, 2 — амплитудная модельная кривая, 3 — фазовая полевая кривая, 4 — фазовая модельная кривая; б — кривые ВЭЗ для трехэлектродной установки АМ№ 5 — полевая кривая, сформированная из данных ЭТ, 6 — модельная кривая; в — 1Б анизотропная модель: 7 — ря, 8 — ру. Высокочастотная часть кривой РМТ-К соответствует малым разносам на кривой ВЭЗ
--1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г-
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Расстояние, м
Рис. 6. Геоэлектрические разрезы по профилю 2: 1 — Ш изотропная инверсия данных РМТ-К с учетом промежуточной зоны; 2 — ря по результатам совместной Ш анизотропной инверсии данных РМТ-К и ЭТ; 3 — X по результатам совместной Ш анизотропной инверсии данных РМТ-К и ЭТ; 4 — 2Б изотропная инверсия данных ЭТ; 5 — 2Б изотропная инверсия данных РМТ-К с учетом промежуточной зоны. Вертикальной белой линией выделен ПК-100, для которого на рис. 4 приведены кривые зондирования и одномерная анизотропная модель
Изотропная 2D инверсия данных ЭТ завышает мощность анизотропного слоя, что показано на рис. 6, 4.
На частотах ниже 10 кГц амплитудные и фазовые кривые РМТ-К выходят за пределы дальней зоны, что проявляется в росте значений рк и уменьшении значений фг. В нижней части разреза по данным РМТ-К выявляется высокоомное основание на глубине 60-70 м, причем по результатам как изотропной, так и анизотропной инверсии (рис. 6, 2 и 5). В данных ЭТ этот слой не проявился, поскольку этому методу в рассматриваемом случае не хватило глубинности.
Как видно из сравнения полученных разрезов, положение кровли высокоом-ного основания по результатам 1D изотропной инверсии данных РМТ-К (рис. 6, 1) отличается от результатов 1D совместной анизотропной инверсии данных РМТ-К и ЭТ (рис. 6, 2) и 2D изотропной инверсии данных РМТ-К (рис. 6, 5). 1D изотропная инверсия данных РМТ-К занижает значения УЭС в верхней части разреза и глубину до высокоомного основания. Можно рассматривать это как проявление S-эквивалентности в поле плоской волны. Учет гальванической моды при совместной инверсии данных РМТ-К и ЭТ снижает влияние S-эквивалентности. 2D изотропная инверсия данных РМТ-К, выполнявшаяся в программе MARE2DEM в варианте Оккама с минимизацией негладкости модели, восстанавливает наименее контрастный разрез, и глубина до высокоомного основания соответствует результату совместной инверсии данных РМТ-К и ЭТ.
6. Обсуждение результатов
Термометрические скважины на полигоне достигают глубин 5-6 м. По керну скважин, близких к участку геофизической съемки, глубже 2.5-3 м залегают мерзлые тяжелые суглинки, их криотекстура меняется от слоистой до сетчатой (Rossi et al., 2022). Данные электроразведки показывают, что вертикальная анизотропия электрических свойств связана с этими отложениями. По результатам совместной инверсии данных РМТ-К и ЭТ кровля высокоомного анизотропного слоя залегает на глубине от 2 до 5.5 м, подошва — от 8 до 20 м. Слой подстилается низкоомной толщей мощностью 40-50 м. Таким образом, сделанные по результатам предыдущих работ на территории полигона методом ЭТ оценки мощности высокоомно-го слоя (от 30 до 50 м), интерпретируемого как слой многолетнемерзлых пород (Tananaev et al., 2021; Rossi et al., 2022), скорее всего, являются завышенными.
Для ответа на вопрос, ограничивается ли мерзлая толща анизотропным слоем, или подстилающие его низкоомные отложения также находятся в мерзлом состоянии, но имеют другую криотекстуру, необходимо бурение в пределах полигона на соответствующие глубины. Однако ряд выводов можно сделать, анализируя геологические данные по близлежащему обнажению на берегу р. Воркута и разрезу, вскрываемому эксплуатируемой водозаборной скважиной 39-Э на станции Хано-вей, находящейся в 1 км от участка работ (см. рис. 1).
Разрез в районе работ по данным скважины 39-Э (рис. 7) соответствует региональному и представлен четвертичными отложениями (ледниково-морскими суглинками), залегающими на терригенных породах пермского возраста (алевролиты, аргиллиты, песчаники). Мощность мерзлой четвертичной толщи, вскрытой скважиной, составляет 55 м. В непосредственной близости от электроразведочных
Глубина,м Геологический индекс Цитологическая колонка Литологический состав вскрытых отложений Глубина подошвы слоя, м Мощность слоя, м
10 _ о - о
20 е> - О - с Суглинок с гравием,
_ 0 _ 0
30 в ею — 6 _ галькой и валунами, мерзлый
- ° - «
40 - " —
50 — „ _
- , — 55.0 55.0
60
Алевролит
70 70.0 15.0
80 Песчаник
85.0 15.0
90 Аргиллит
95.0 10.0
100
Алевролит
110 110.0 15.0
120 Аргиллит 120.0 10.0
130 Песчаник
140 140.0 20.0
Рис. 7. Геологический разрез водозаборной скважины 39-Э на станции Хановей (Федосеева и др., 2011)
профилей, по которым проводились работы методом РМТ-К, коренные пермские породы выходят на поверхность в русле р. Воркута, образуя перекат (рис. 8). Таким образом, есть основания полагать, что мощность четвертичных пород (преимущественно суглинков) на участке работ близка к высоте берегового уступа и составляет около 15 м. В этом случае высокоомный анизотропный слой, выявляемый электроразведкой, целиком соответствует мерзлым четвертичным отложениям, а подстилающий его низкоомный слой является верхней частью толщи пермских отложений, находящейся в талом состоянии. Данные исследований, проведенных
Рис. 8. Вид на долину р. Воркута в районе работ. Обозначена высота берегового уступа и место выхода коренных пород (фото Н. Ю. Боброва)
в водозаборной скважине 39-Э и представленных в фондовом отчете (Федосеева и др., 2011), не противоречат этому выводу.
В соответствии с результатами исследований в скважине 39-Э, мерзлые суглинки играют роль водоупора, а продуктивным комплексом являются пермские породы. При этом вся толща перми в той или иной степени трещиновата и обводнена, хотя по паспортным данным значимый водоприток стал поступать в скважину с глубины 95 м, при вскрытии прослоя алевролита. В работе (Тапапаеу е! а1., 2021) отмечена возможность фильтрации воды по таликовым зонам из подмерз-лотных источников на поверхность на основании близости изотопного состава проб воды из скважины 39-Э и из поверхностного водоема в тальвеге на участке мерзлотного полигона. Поскольку подмерзлотные воды являются напорными, и в скважине 39-Э величина напора над кровлей обводненной толщи составляет 40.6 м (Федосеева и др., 2011), этот процесс весьма вероятен.
Таким образом, имеющиеся данные указывают на то, что верхняя часть толщи пермских отложений находится в талом состоянии и является трещиноватой и водонасыщенной, что согласуется с относительно низким УЭС в средней части разреза (от 15-20 до 60-70 м) по данным РМТ-К.
Нижняя часть разреза пермских отложений (ниже 60-70 м) по данным РМТ-К является более высокоомной. На частотах, соответствующих этим глубинам, кривые РМТ-К переходят в промежуточную зону, где импеданс зависит уже не только от рн, но и от ру. Толща пермских пород представляет собой чередование прослоев терригенных пород разного состава. Данные электроразведки методом ВЭЗ, выполненной на Хановейской площади в начале 1970-х годов (Бороздин и Белкин, 1972), также свидетельствуют об увеличении УЭС пермских пород с глубиной. На ближайшем к району работ профиле № 52, пересекающем р. Воркута, кривые ВЭЗ относятся к типу А или Н-А, при этом УЭС в нижней части пермской толщи достигает сотен омметров, что подтверждает оценки, сделанные по данным метода РМТ-К.
7. Заключение
По результатам выполненных работ могут быть сделаны следующие выводы:
1. Совместное применение методов РМТ-К и ЭТ на полигоне Хановей позволило выявить вертикальную анизотропию электрических свойств мерзлых четвертичных отложений в верхней части геологического разреза, в интервале глубин от 2 до 20 м. Анизотропия характерна для мерзлых глинистых отложений, вскрываемых параметрическими скважинами, и связана с их криотекстурой. Коэффициент анизотропии в пределах участка исследований преимущественно находится в интервале от 2 до 4.
2. По данным ЭТ анизотропный слой проявляется как высокоомный, оценки его мощности, сделанные без учета анизотропии, являются завышенными. Вопрос о том, можно ли считать его нижнюю границу подошвой мерзлоты, пока остается открытым.
3. Имеющиеся данные гидрогеологических исследований показывают, что коренные терригенные отложения пермского возраста в районе полигона находятся в талом состоянии и в верхней части являются трещиноватыми и водонасыщенны-ми, что объясняет низкие значения их УЭС по данным электроразведки.
4. По данным РМТ-К на полигоне выявляется высокоомный слой в основании геоэлектрического разреза. Как совместная анизотропная Ш инверсия данных РМТ-К и ЭТ, так и сглаженная 2Б изотропная инверсия данных РМТ-К дают близкие оценки глубины его залегания — 60-70 м. Изотропная Ш инверсия данных РМТ-К занижает глубину до высокоомного основания и УЭС перекрывающих пород.
Благодарности
Авторы благодарны за помощь в проведении работ геологическому факультету МГУ им. М. В. Ломоносова и дирекции Северной железной дороги — филиала ОАО «РЖД».
Литература
Бердичевский, М. Н. и Дмитриев, В. И. (2009). Модели и методы магнитотеллурики. М.: Научный мир.
Бобачев, А. А., Горбунов, А. А., Модин, И. Н., Шевнин, В. А. (2006). Электротомография методом сопротивлений и вызванной поляризации. Приборы и системы разведочной геофизики, 2, 14-17. Бороздин, Ю. Г. и Белкин, В. И. (1972). Отчет о работе Хановейской комплексной геофизической партии № 6/70-71 на Хановейской и Елец-Кечпельской площадях с целью поисков и оконтуривания предполагаемых синклинальных структур. М.: ФГБУ «Росгеолфонд». Ваньян, Л. Л. (1965). Основы электромагнитных зондирований. М.: Недра. Ершов, Э. Д. (2002). Общая геокриология. М.: Изд-во МГУ
Иванов, П. В., Алексеев, Д. А., Бобачев, А. А., Пушкарев, П. Ю., Яковлев, А. Г. (2011). О комплексиро-вании методов вертикального электрического зондирования и зондирования становлением поля в ближней зоне. Инженерные изыскания, 11, 42-51. Каминский, А. Е., Ерохин, С. А., Шлыков, А. А. (2015). Совместная двумерная инверсия данных электротомографии и РМТ/АМТ. Геофизика, 4, 32-39. Котов, П. И. и Гордеева, Г. И., ред. (2022). Пособие по Воркутинской геокриологической научно-учебной практике. М.: Изд-во МГУ Краев, А. П. (1965). Основы геоэлектрики. 2-е изд. Л.: Недра.
Рекомендации по определению физико-механических свойств мерзлых дисперсных грунтов геофизическими методами (1989). М.: Стройиздат. Сараев, А. К., Симаков, А. Е., Шлыков, А. А. (2014). Метод радиомагнитотеллурических зондирований с контролируемым источником. Геофизика, 1, 18-25. Федосеева, Н. И., Степанова, Л. К., Федоришин, И. Б. (2011). Подсчет эксплуатационных запасов подземных вод для хозяйственно-питьевого и технического водоснабжения железнодорожных станций Хановей и Чум. [отчет] М.: ФГБУ «Росгеолфонд». Фролов, А. Д. (1998). Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН.
Шевнин, В. А., ред. (2012). Изучение анизотропии в методе сопротивлений: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУ.
Шевнин, В. А., Бобачев, А. А., Модин, И. Н., Ялов, Т. В. (2013). Различие результатов гальванических и индуктивных методов, новые примеры для ДИП и БИЭП. Записки Горного института, 200, 104-107.
Шлыков, А. А. (2014). Программа для моделирования электромагнитного поля кабеля конечной длины (CS1D). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014664164; заявл. 30.12.2014; зарег. 21.04.2015. Bastani, M. (2001). EnviroMT — a new controlled source/radiomagnetotelluric system. PhD thesis. Uppsala: Uppsala University.
Briggs, M. A., Campbell, S., Nolan, J., Walvoord, M. A., Ntarlagiannis, D., Day-Lewis, F. D., Lane, J. W. (2017). Surface geophysical methods for characterising frozen ground in transitional permafrost landscapes. Permafrost and Periglacial Processes, 28 (1), 52-65. https://doi.org/10.1002/ppp.1893 Candansayar, M. E. and Tezkan, B. (2008). Two-dimensional joint inversion of radiomagnetotelluric and direct current resistivity data. Geophysical Prospecting, 56, 737-749. https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.2008.00695.x
Dahlin, T. (2001). The development of DC resistivity imaging techniques. Computers & Geosciences, 27,
1019-1029. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(00)00160-6 Demirci, I., Candasayar, E. M., Vadidis, A., Soupios, P. (2017). Two-dimensional joint inversion of direct current resistivity, radio-magnetotelluric and seismic refraction data: An application from Bafra Plain, Turkey. Journal of Applied Geophysics, 139, 316-330. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2017.03.002 Hauck, C. (2013). New concepts in geophysical surveying and data interpretation for permafrost terrain.
Permafrost and Periglacial Processes, 24 (2), 131-137. https://doi.org/10.1002/ppp.1774 Jupp, D. L. B. and Vozoff, K. (1977). Resolving anisotropy in layered media by joint inversion. Geophysical
Prospecting, 25, 460-470. https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.1977.tb01181.x Kalscheuer, T., Garcia, M., Meqbel, N., Pedersen, L. B. (2010). Non-linear model error and resolution properties from two-dimensional single and joint inversions of direct current resistivity and radiomag-netotelluric data. Geophysical Journal International, 182, 1174-1188. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X. 2010.04686.x
Key, K. (2016). MARE2DEM: A 2-D inversion code for controlled-source electromagnetic and magneto-telluric data. Geophysical Journal International, 207 (1), 571-588. https://doi.org/10.1093/gji/ggw290 Kneisel, C., Hauck, C., Fortier, R., Moorman, B. (2008). Advances in geophysical methods for permafrost
investigations. Permafrost and Periglacial Processes, 19 (2), 157-178. https://doi.org/10.1002/ppp.616 Loke, M. H., Chambers, J. E., Rucker, D. F., Kuras, O., Wilkinson, P. B. (2013). Recent developments in the direct-current geoelectrical imaging method. Journal of Applied Geophysics, 95, 135-156. https://doi. org/10.1016/j.jappgeo.2013.02.017 Maillet, R. (1947). The fundamental equations of electrical prospecting. Geophysics, 12, 529-556. https://doi. org/10.1190/1.1437342
Marquardt, D. W. (1963). An algorithm for least-squares estimation of non-linear parameters. SIAM Journal
on Applied Mathematics, 11, 431-441. https://doi.org/10.1137/0111030 Raiche, A. P., Jupp, D. L. B., Rutter, H., Vozoff, K. (1985). The joint use of coincident loop transient electromagnetic and Schlumberger sounding to resolve layered structures. Geophysics, 50, 1618-1627. https://doi.org/10.1190/1.1441851 Rossi, M., Dal Cin, M., Picotti, S., Gei, D., Isaev, V. S., Pogorelov, A. V., Gorshkov, E. I., Sergeev, D. O., Kotov, P. I., Giorgi, M., Rainone, M. L. (2022). Active layer and permafrost investigations using geophysical and
geocryological methods — a case study of the Khanovey area, near Vorkuta, in the NE European Russian Arctic. Frontiers in Earth Science, 10:910078. https://doi.org/10.3389/feart.2022.910078 Saraev, A. K., Shlykov, A. A., Tezkan, B. (2022). Application of the controlled source radiomagnetotellurics (CSRMT) in the study of rocks overlying kimberlite pipes in Yakutia/Siberia. Geosciences, 12 (1), 34. https://doi.org/10.3390/geosciences12010034 Saraev, A. K., Shlykov, A. A., Bobrov, N. Y. (2023). Tensor CSRMT system with horizontal electrical dipole sources and prospects of its application in Arctic permafrost regions. Eng, 4 (1), 569-580. https://doi. org/10.3390/eng4010034
Saraev, A., Simakov, A., Shlykov, A., Tezkan, B. (2017). Controlled-source radiomagnetotellurics: A tool for near surface investigations in remote regions. Journal of Applied Geophysics, 146, 228-237. https://doi. org/10.1016/j.jappgeo.2017.09.017 Shlykov, A. A. and Saraev, A. K. (2015). Estimating the Macroanisotropy of a Horizontally Layered Section from Controlled Source Radiomagnetotelluric Soundings. Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 51 (4): 583-601. https://doi.org/10.1134/S1069351315040102 Shlykov, A., Saraev, A., Agrahari, S. (2019). Study of the anisotropy of horizontally layered section using data
of the controlled source radiomagnetotellurics. Geophysica, 54 (2), 3-21. Shlykov, A., Saraev, A., Agrahari, S., Tezkan, B., Singh, A. (2021). One-dimensional laterally constrained joint anisotropic inversion of CSRMT and ERT Data. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 6, 35-48. https://doi.org/10.32389/JEEG20-060 Shlykov, A., Saraev, A., Tezkan, B. (2020). Study of a permafrost area in the northern part of Siberia using controlled source radiomagnetotellurics. Pure and Applied Geophysics, 177 (12), 5845-5859. https:// doi.org/10.1007/s00024-020-02621-x Tananaev, N., Isaev, V., Sergeev, D., Kotov, P., Komarov, O. (2021). Hydrological connectivity in a permafrost tundra landscape near Vorkuta, North-European Arctic Russia. Hydrology, 8 (3), 106. https://doi. org/10.3390/hydrology8030106 Zonge, K. L. and Hughes, L. J. (1991). Controlled-source audio-frequency magnetotellurics. In: M. N. Nabighian, ed., Electromagnetic methods in applied geophysics. SEG, 2. 713-809. https://doi. org/10.1190/1.9781560802686.ch9
Статья поступила в редакцию 13 мая 2023 г.
Статья рекомендована к печати 10 ноября 2023 г.
Контактная информация:
Бобров Никита Юрьевич — n.bobrov@spbu.ru Шлыков Арсений Андреевич — a.shlykov@spbu.ru Сараев Александр Карпович — a.saraev@spbu.ru Исаев Владислав Сергеевич — vsisaev@yanao.ru Балахнин Андрей Иванович — st087319@student.spbu.ru
Study of the anisotropy of frozen rocks at the Khanovei test site (Komi Republic) based on the data of controlled source radio-magnetotelluric soundings and electrical resistivity tomography*
N. Yu. Bobrov1, A. A. Shlykov1, A. K. Saraev1, V. S. Isaev2, A. I. Balakhnin1
1 St. Petersburg State University,
7-9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
2 Scientific Center of Arctic Research,
20, ul. Respubliki, Salekhard, 629008, Russian Federation
For citation: Bobrov, N. Yu., Shlykov, A. A., Saraev, A. K., Isaev, V. S., Balakhnin, A. I. (2023). Study of the anisotropy of frozen rocks at the Khanovei test site (Komi Republic) based on the data of controlled source radio-magnetotelluric soundings and electrical resistivity tomography. Vestnik of Saint Petersburg University. Earth Sciences, 68 (4), 696-716. https://doi.org/10.21638/spbu07.2023.405 (In Russian)
The results of a joint inversion of the data of controlled source radio-magnetotelluric soundings (CSRMT) and electrical resistivity tomography (ERT), obtained at the Khanovei permafrost test site near Vorkuta, are presented. The geological section in the work area is composed of Quaternary fluvio-glacial, lacustrine-glacial and alluvial deposits up to 60 m thick, overlying a sequence of sandstones, siltstones and mudstones of Permian age. The CSRMT survey was carried out using a grounded electrical line 480 m long as a source in the frequency range 1-1000 kHz. The results of various inversion options were compared: 1) isotropic one-dimensional (1D) inversion of CSRMT data; 2) isotropic separate two-dimensional (2D) inversion of CSRMT and ERT data; 3) joint anisotropic 1D inversion of CSRMT and ERT data. Based on the results of a joint anisotropic inversion of CSRMT data in the far and intermediate zones of the source and ERT data, a vertical anisotropy associated with horizontal layering of frozen Quaternary clay deposits in the depth range from 2 to 15-20 m was revealed and its parameters (horizontal and vertical resistivity and anisotropy coefficient) were determined. On the geoelectric section obtained from the ERT data, the thickness of the anisotropic layer of frozen clayey deposits is significantly overestimated. The middle part of the section, in the depth range from 15-20 to 60-70 m, is characterized by relatively low resistivity values (tens of ohmmeters). This is consistent with the results of previous studies, which established that the upper part of the Permian sediments is in a thawed state and is fractured and water-saturated. A high-resistivity layer (hundreds of ohmmeters) was revealed at the base of the geoelecric section according to CSRMT data. A significant increase in the resistivity of Permian rocks with depth is confirmed by the data of vertical electrical soundings previously performed in the Khanovey area.
Keywords: permafrost, anisotropy of electrical properties, electrical resistivity tomography, radio-magnetotelluric soundings, controlled source.
References
Bastani, M. (2001). EnviroMT — a new controlled source/radiomagnetotelluric system. PhD thesis. Uppsala: Uppsala University.
Berdichevsky, M. N. and Dmitriev, V. I. (2009). Models and methods of magnetotellurics. Moscow: Nauchnyi mir Publ. (In Russian)
* The research was funded by the Russian Science Foundation, project no. 21-47-04401 and the Research park of St. Petersburg State University "Center for Geo-Environmental Research and Modeling (GEOMODEL)".
Bobachev, A. A., Gorbunov, A. A., Modin, I. N., Shevnin, V. A. (2010). Electrical resistivity and induced
polarization tomography. Pribory i sistemy razvedochnoi geofiziki, 2, 14-17. (In Russian) Borozdin, Yu. G. and Belkin, V. I. (1972). Report on the work of the Khanoveiskaya integrated geophysical party no. 6/70-71 in the Khanoveiskaya and Yelets-Kechpelskaya areas in order to search for and delineate the alleged synclinal structures. Moscow: FGBU "Rosgeolfond" Publ. (In Russian) Briggs, M. A., Campbell, S., Nolan, J., Walvoord, M. A., Ntarlagiannis, D., Day-Lewis, F. D., Lane, J. W. (2017). Surface geophysical methods for characterising frozen ground in transitional permafrost landscapes. Permafrost and Periglacial Processes, 28 (1), 52-65. https://doi.org/10.1002/ppp.1893 Candansayar, M. E. and Tezkan, B. (2008). Two-dimensional joint inversion of radiomagnetotelluric and direct current resistivity data. Geophysical Prospecting, 56, 737-749. https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.2008.00695.x
Dahlin, T. (2001). The development of DC resistivity imaging techniques. Computers & Geosciences, 27,
1019-1029. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(00)00160-6 Demirci, I., Candasayar, E. M., Vadidis, A., Soupios, P. (2017). Two-dimensional joint inversion of direct current resistivity, radio-magnetotelluric and seismic refraction data: An application from Bafra Plain, Turkey. Journal of Applied Geophysics, 139, 316-330. https://doi.org/10.1016Zj.jappgeo.2017.03.002 Ershov, E. D. (2002). Generalgeocryology. Moscow: Moscow University Press. (In Russian) Fedoseeva, N. I., Stepanova, L. K., Fedorishin, I. B. (2011). Calculation of operational reserves of groundwater for domestic and technical water supply of railway stations Khanovei and Chum. [report] Moscow: FGBU "Rosgeolfond" Publ. (In Russian) Frolov, A. D. (1998). Electrical and elastic properties of frozen Earth materials. Pushchino: ONTI PNTs RAN Publ. (In Russian)
Hauck, C. (2013). New concepts in geophysical surveying and data interpretation for permafrost terrain.
Permafrost and Periglacial Processes, 24(2), 131-137. https://doi.org/10.1002/ppp.1774 Ivanov, P. V., Alekseev, D. A., Bobachev, A. A., Pushkarev, P. Yu., Yakovlev, A. G. (2011). On the integration of the methods of vertical electrical sounding and the near-field transient electromagnetic sounding. Inzhenernye izyskaniia, 11, 42-51. (In Russian) Jupp, D. L. B. and Vozoff, K. (1977). Resolving anisotropy in layered media by joint inversion Geophysical
Prospecting, 25, 460-470. https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.1977.tb01181.x Kalscheuer, T., Garcia, M., Meqbel, N., Pedersen, L. B. (2010). Non-linear model error and resolution properties from two-dimensional single and joint inversions of direct current resistivity and radiomagnetotelluric data. Geophysical Journal International, 182, 1174-1188. https://doi.org/10.1111/ j.1365-246X. 2010.04686.x
Kaminsky, A. E., Erokhin, S. A. Shlykov, A. A. (2015). Joint two-dimensional inversion of electrical resistivity
tomography and RMT/AMT data. Geofizika, 4, 32-39. (In Russian) Key, K. (2016). MARE2DEM: A 2-D inversion code for controlled-source electromagnetic and magnetotelluric data. Geophysical Journal International, 207 (1), 571-588. https://doi.org/10.1093/gji/ ggw290
Kneisel, C., Hauck, C., Fortier, R., Moorman, B. (2008). Advances in geophysical methods for permafrost
investigations. Permafrost and Periglacial Processes, 19 (2), 157-178. https://doi.org/10.1002/ppp.616 Kotov, P. I. and Gordeev, G. I., ed. (2022). Manual on Vorkuta geocryological scientific and educational
practice. Moscow: Moscow University Press. (In Russian) Kraev, A. P. (1965). Fundamentals of geoelectrics. 2nd ed. Leningrad: Nedra Publ. (In Russian) Loke, M. H., Chambers, J. E., Rucker, D. F., Kuras, O., Wilkinson, P. B. (2013). Recent developments in the direct-current geoelectrical imaging method. Journal of Applied Geophysics, 95, 135-156. https://doi. org/10.1016/j.jappgeo.2013.02.017 Maillet, R. (1947). The fundamental equations of electrical prospecting. Geophysics, 12, 529-556. https://doi. org/10.1190/1.1437342
Marquardt, D. W. (1963). An algorithm for least-squares estimation of non-linear parameters. SIAM Journal
on Applied Mathematics, 11, 431-441. https://doi.org/10.1137/0111030 Raiche, A. P., Jupp, D. L. B., Rutter, H., Vozoff, K. (1985). The joint use of coincident loop transient electromagnetic and Schlumberger sounding to resolve layered structures. Geophysics, 50, 1618-1627. https://doi.org/10.1190/L1441851 Recommendations for the determination of the physical and mechanical properties of frozen dispersed soils by geophysical methods (1989). Moscow: Stroiizdat Publ. (In Russian)
Rossi, M., Dal Cin, M., Picotti, S., Gei, D., Isaev, V. S., Pogorelov, A. V., Gorshkov, E. I., Sergeev, D. O., Ko-tov, P. I., Giorgi, M., Rainone, M. L. (2022). Active layer and permafrost investigations using geophysical and geocryological methods — a case study of the Khanovey area, near Vorkuta, in the NE European Russian Arctic. Frontiers in Earth Science, 10:910078. https://doi.org/10.3389/feart.2022.910078 Saraev, A. K., Shlykov, A. A., Tezkan, B. (2022). Application of the controlled source radiomagnetotellurics (CSRMT) in the study of rocks overlying kimberlite pipes in Yakutia/Siberia. Geosciences, 12 (1), 34. https://doi.org/10.3390/geosciences12010034 Saraev, A. K., Simakov, A. E., Shlykov, A. A. (2014). Method of radio magnetotelluric soundings with a
controlled source. Geofizika, 1, 18-25. (In Russian) Saraev, A., Simakov, A., Shlykov, A., Tezkan, B. (2017). Controlled-source radiomagnetotellurics: a tool for near surface investigations in remote regions. Journal of Applied Geophysics, 146, 228-237. https://doi. org/10.1016/j.jappgeo.2017.09.017 Saraev, A. K., Shlykov, A. A., Bobrov, N. Y. (2023). Tensor CSRMT system with horizontal electrical dipole sources and prospects of its application in Arctic permafrost regions. Eng, 4 (1), 569-580. https://doi. org/10.3390/eng4010034
Shevnin, V. A., ed. (2012). Study of anisotropy in the resistivity method: Tutorial. Moscow: Moscow University Press. (In Russian)
Shevnin, V. A., Bobachev, A. A., Modin, I. N., Yalov, T. V. (2013). Difference in galvanic and inductive methods
results, new examples for DIP and BIEP. Journal of Mining Institute, 200, 104-107. (In Russian) Shlykov, A. A. (2014). Program for modeling of electromagnetic field of a cable of finite length (CS1D). Certificate of state registration of the computer program no. 2014664164; dec. 12/30/2014; registered 04/21/2015. (In Russian)
Shlykov, A. A. and Saraev, A. K. (2015). Estimating the macroanisotropy of a horizontally layered section from controlled-source radiomagnetotelluric soundings. Izvestiya, Physics of the Solid Earth, 51 (4), 583-601. https://doi.org/10.1134/S1069351315040102 Shlykov, A., Saraev, A., Agrahari, S. (2019). Study of the anisotropy of horizontally layered section using data
of the controlled source radiomagnetotellurics. Geophysica, 54 (2), 3-21. Shlykov, A., Saraev, A., Agrahari, S., Tezkan, B., Singh, A. (2021). One-dimensional laterally constrained joint anisotropic inversion of CSRMT and ERT Data. Journal of Environmental and Engineering Geophysics, 6, 35-48. https://doi.org/10.32389/JEEG20-060 Shlykov, A., Saraev, A., Tezkan, B. (2020). Study of a permafrost area in the northern part of Siberia using controlled source radiomagnetotellurics. Pure and Applied Geophysics, 177 (12), 5845-5859. https:// doi.org/10.1007/s00024-020-02621-x Tananaev, N., Isaev, V., Sergeev, D., Kotov, P., Komarov, O. (2021). Hydrological connectivity in a permafrost tundra landscape near Vorkuta, North-European Arctic Russia. Hydrology, 8 (3), 106. https://doi. org/10.3390/hydrology8030106 Vanyan, L. L. (1965). Fundamentals of electromagnetic soundings. Moscow: Nedra Publ. (In Russian) Zonge, K. L. and Hughes, L. J. (1991). Controlled-source audio-frequency magnetotellurics. In: M. N. Nabighian, ed., Electromagnetic methods in applied geophysics. SEG, 2, 713-809. https://doi. org/10.1190/1.9781560802686.ch9
Received: May 13, 2023 Accepted: November 10, 2023
Authors' information:
Nikita Yu. Bobrov — n.bobrov@spbu.ru Arseny A. Shlykov — a.shlykov@spbu.ru Alexander K. Saraev — a.saraev@spbu.ru Vladislav S. Isaev — vsisaev@yanao.ru Andrey I. Balakhnin — st087319@student.spbu.ru
