НАША СТАТЬЯ в журнале «ФИЗИКА ЗЕМЛИ» АН РФ № 3, 2007 г.
УДК 550.837
ВОЗМОЖНОСТИ И ОСОБЕННОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ ИНДУКТИВНЫХ ЭМ ЗОНДИРОВАНИЙ ВЧР В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.
©2005г. .1 ( *****@***ru.), 2, 1
1 – «Интер», Саратов; 2 - НВНИИГГ, Саратов, Россия.
Основные трудности при геофизических исследованиях верхней части разреза (ВЧР) возникают вследствие малой контрастности объектов, а также при слабой электропроводности пород. Существенно осложняет проведение исследований геологического объекта наличие экранов над объектами, как высокоомных так и низкоомных. При этом большинство экспертов считают геоэлектроразведку эффективной лишь при удельном сопротивлении менее 50 Ом. м. и контрастности объектов и вмещающих пород более 10. Важно отметить, что для территории России только зона развития высокоомных многолетне мёрзлых пород составляет около 60%, а для территории США доля ВЧР с удельным сопротивлением выше 50 Ом. м. составляет почти 90%. Кроме того, характер зависимости удельного электрического сопротивления водонасыщенных пород от минерализации для разделения гравийно-галечниковых отложений, песков и глин требует от общепринятых технологий геоэлектроразведки на порядок более высокого разрешения по контрастности [Методы геофизики в гидрогеологии и инженерной геологии, 1985]. Мнения экспертов о зондировании ВЧР для высокоомных и слабоконтрастных объектов изменились от «это невозможно» в конце семидесятых годов – до пессимистичного «едва ли возможно» [Кожевников, 2004].
Для обеспечения в общем-то некорректного перехода от точечных зондирований и одномерного подхода - к 2D и 3D представлениям, требуется, при малых размерах установки, значительное увеличение общепринятого диапазона зондируемых глубин а также улучшение повторяемости результатов при различных размерах генераторно-приемного контура.
Заметим, что наиболее успешная попытка решить данные проблемы была предпринята в 1977 году Саратовским ГУ и НВНИИГГ по заказу ИКИ АН СССР для задач зондирования Луны. Был предложен однопетлевой вариант зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ). В инициативном порядке технология была переработана, создан прибор и в августе 1978 г. проведены успешные испытания в Якутии (г. Мирный) для поисков кимберлитовых трубок в условиях многолетней мерзлоты. Достигнутые в 1978 г. результаты за 28 лет так никто и не смог повторить. Наши разработки были положены в основу работ в институте геоэлектромагнитных исследований (ЦГЭМИ ИФЗ РАН) при разработке прибора и технологии TEM-FAST 48 и программы зондирования Марса (см. международную программу 2003-2005 г. под руководством НАСА, на сайте ИКИ АН РФ http://www. iki. rssi. ru/MARSES/rus_win/instr. htm и на сайте ЦГЭМИ ИФЗ РАН www. igemi. troitsk. ru/rus). Следует отметить, что попытка повторить для исследования Марса результаты, полученные для Луны и криолитозоны в Якутии, по нашему мнению оказалась неудачной. Технология и прибор TEM FAST 48 пока не может выявлять тонкие слои, зондировать слабоэлектропроводные и малоконтрастные объекты – например, многолетнюю мерзлоту, а не то что Луну, либо Марс. Там, где нет мерзлоты, высокоомных и слабоконтрастных объектов, прибор TEM-FAST 48 находит применение.
В НПП «Интер» (г. Саратов) разработана новая технология импульсной индуктивной геоэлектроразведки высокого разрешения, позволяющая зондировать малоконтрастные и слабоэлектропроводные разрезы в диапазоне глубин от 0,5 метров до сотен метров и не имеющая по своим возможностям мировых аналогов. Особенностью предлагаемой технологии является ориентация не только на хорошо проводящие и контрастные объекты, но и на зондирование слабоэлектропроводных и малоконтрастных геологических объектов, в том числе и под экранами, как высокоомными так и низкоомными, а также на выявление тонких и слабоконтрастных слоёв. Исследования показали предпочтительность проведения зондирований малыми рамками, размерами 2-30 метров. Минимальное время начала регистрации полезного сигнала – 350 наносекунд при токе в 3А. Глубина зондирования от 0,5 метров до сотен метров (от 0,2 до десяти радиусов генераторной петли при однопетлевом варианте измерения). Точность выявления границ раздела слоев достигает 2ч5%, что сопоставимо с точностью отбора керна при бурении. Новая технология позволяет проводить исследования при интенсивных электромагнитных помехах, в том числе на электрофицированных участках железной дороги.
В качестве основы интерпретации используются трансформации исходного сигнала в значения электропроводности по способу [Сидоров, 1985]. Полученные геоэлектрические данные подвергаются обработке для отображения разреза (удельная электропроводность, среднее и пластовое сопротивление). Получаемые в результате интерпретации данные подобны дистанционному электрокаротажу скважин.
Методические и аппаратные решения отрабатывались на тестовой задаче - на реке Волге при глубине 21м. - по выделению малоконтрастной границы раздела пресной воды и песчаного дна, получению в однородном пространстве пресноводного водоёма сигнала становления поля без помех аппаратуры и переходных процессов приемно-генераторного контура. Оползни изучались на двух участках железной дороги в промышленных районах, в условиях интенсивных электромагнитных помех и на электрофицированном участке.
Съёмка геоэлектрической структуры активного оползня проведена на участке Терса - Линёво Приволжской ж. д.. Тело оползня представлено перемещенными делювиальными глинами, суглинками и супесями, а также песками в водонасыщенном состоянии, оползало по смоченной поверхности регионального водоупора, представленного черными глинами. В результате оползневых процессов произошел сход двух блоков оползня. Аппаратура позволяет выявлять тонкие слои глин, линзы подземных вод и оценивать степень их минерализации. Сопоставление полученных результатов зондирования с данными бурения ручным буром Д-127 на глубину до 6 метров, приведено на рис. 1.
Рис. 1. Сопоставление зондирований с данными бурения по профилю 6.
Количество слоёв, их мощность, местоположение в буровых колонках и в результатах зондирований совпадают. Согласно буровым данным на участке, верхнее переслаивание пород не выдержано по мощности и простиранию, но имеет тенденцию общего уклона. Замечено резкое повышение минерализации грунтовых вод в местах с повышенной гидродинамикой. По результатам зондирований построена слоистая структура, выделены зоны обводненности и насыщения минерализоваными водами. Выявлено распределение по влажности минерализованных вод в теле оползня, активная зона на ПК3 и потенциально опасная зона на ПК4.
Аппаратура и методика электроразведочных работ позволяют выявить уменьшение в 2-3 раза удельного электрического сопротивления слоев: в активной зоне оползня (<1-2 Ом*м) по сравнению с устойчивой зоной (2,7-5 Ом*м), а в точках зондирования на берегу р. Волга (в 300м от активной части оползня), удельное сопротивление слоев на глубинах 6-40 м. ещё в 2-3 раза выше (5-10 Ом*м). Отбиваются два зеркала скольжения оползня в соответствии с образовавшимися двумя стенами отрыва (Рис.2). В точке зондирований 7.3 на глубине 9 метров выделен слой скольжения, потенциально опасный для формирования и схода третьего блока оползня. В этом случае стена отрыва будет сформирована под действующими железнодорожными путями.
Рис.2. Два зеркала скольжения и прогноз третьего схода.
В паводковый период (апрель-май) уровень водохранилища поднимается до отметки 20 - 22м, а основание оползня находится на отметке 22.71 м., к тому же нижняя отметка зеркала скольжения находится на уровне 19м. (см. рис.2). Следовательно, грунтовые воды подпираются горизонтом вод водохранилища, создается эффект обратного течения, происходит интенсивное выщелачивание, а также снижение сдерживающих способностей основания или вала выпора. При резком сбросе уровня паводка грунтовые воды разгружаются из массива, где происходит гидродинамический удар за счет резкого увеличения порового давления и этот эффект сопровождается потерей прочности в грунтах.
При исследовании оползня участка «Терса-Линево», был дан прогноз активизации оползня после паводка на начало мая [Павлов, 2003]. В 2004 году наш прогноз подтвердился.
Второй оползень изучался на элекрофицированом участке «Жасминная-Курдюм» Приволжской железной дороги в условиях интенсивных электромагнитных помех. Сход
Рис.3 а) Сход блока оползня. б) Расположение скважин.
блока оползня на высоту два метра произошел после прохода скорого поезда (рис.3 а.). Высота насыпи на данном участке около 9 метров. Насыпь была восстановлена, выполнена прорезь и присыпан контробанкет. Для анализа и диагностики гидрогеологической ситуации на оползне были позже пробурены скважины на глубину до 15 метров. Расположение электроразведочного профиля и скважин приведено на рис. 3.б. Измеренные значения сигналов на оползне элекрофицированого участка (27 киловольт) для рамок радиусами 2, 3.6,
Рис.4 а. Сигнал на рамке R=2 метра.
Рис.4 б. Сигнал на рамке R=3.6 метра.
Рис.4 в. Сигнал на рамке R=5.25 метра.
и 5.25 метров (соответственномомент М=38, 122, 260) и результат их цифровой обработки приведены на рис.4. Наглядно видно, что увеличение размеров рамки приводит к росту амплитуды помех и понижению частоты основной гармоники помехи.
Сопоставление с буровыми колонками результатов зондирований по S(H) рамками радиусами 2 и 3.6 метров по скважинам 13 и 16 приведено на рис. 5.
Рис. 5 Сопоставление S(H) с бурением по двум скважинам для рамок 2 и 3.6 метров.
Обработанные результаты по профилю в представлении Сигма (Н) в сопоставлении с
данными бурения представлены на рисунке 6. Построение приведено до глубины 15 метров.
Количество слоёв, их мощность, местоположение в буровых колонках и в результатах зондирований совпадают. Выявлен слой аргиллитоподобных глин мощностью 0,1-0,2 метра на глубине 9 метров в полутвердых зеленовато-серых глинах. Выделяется насыпной грунт, влажные и тугопластичные слои. 
Рис. 6. Сравнение зондирований по профилю с данными бурения.
Сравнение естественной влажности 18 образцов керна показало, что распределение минерализованных вод в теле оползня отображается с точностью до сотых долей.
При изучении оползня и земляного полотна выявлено:
1.Подпитка тела оползня грунтовыми водами происходит по земляному полотну, выполненные в насыпи прорези работают, но не достаточно эффективно.
2. Насыпь выполнена без удаления почвенно-растительного слоя, «отбиваются» слои повышенного сопротивления, утрамбованные техникой при отсыпке насыпи, что позволяет понять технологию выполнения работ.
3. Отображается распределение минерализованых грунтовых вод и влажности в теле оползня и в нижних горизонтах.
4. Минерализация по профилю уменьшается с 10 до 5 Г/л.
5. Динамика уровня грунтовых вод и их минерализация вдоль профиля показывают, что активные процессы в теле оползня не остановлены. Выполненные мероприятия недостаточны и оползень остаётся потенциально опасным.
Работы, выполненные на оползнях, показывают, что новая технология импульсной электроразведки позволяет:
1. Определить и привести зависимости состояния и типа грунтов к их электропроводности. Обеспечить разрешение по контрастности слоёв и вмещающих пород, необходимое для выявления зеркала скольжения, активной части неустойчивого склона и потоков подземных вод.
2. Отследить положение по мощности и простиранию водоупоров, водоносных пластов, уровень грунтовых вод и влажность.
3. Отследить области питания водоносного горизонта.
4. Определить общий уклон напластований грунтов.
5. Точность выявления границ раздела слоев достигает 2ч5%, что сопоставимо с точностью отбора керна при бурении.
6. Представить модели геоэлектрического разреза объекта исследований в цифровом и полностью интерпретированном виде.
Работы в криолитозоне Якутии были проведены в Мало-Батуобинской алмазоносной провинции (г. Мирный, август 1978 г.). Измерения на различных геологических объектах: юрские отложения мощностью до 30м - карбонатные отложения (Рис.7.а); траппы мощностью до 30м - карбонатные отложения, - показали возможность выделять границы сред с разной проводимостью по вертикали и различать аномалии проводимости в интервале глубин 10-220 м при работе с петлями радиусом 12-30м. Надёжно
Рис.7 а)на туфовой трубке АН 446, б) на траппах, в) на кимберлитовой трубке.
определяются геоэлектрические характеристики разреза. Выделяется граница раздела траппов и карбонатных отложений на глубине 30 метров, выявлена аномалия мощностью 5 метров под траппами (Рис.7.б). Глубина зондирования на траппах составила 220 метров для рамки радиусом 30 метров. Над кимберлитовой трубкой им. XXIII съезда, перекрытой слоем юрских отложений мощностью 17-19 метров (Рис.7.в), полезный сигнал выше фонового в 40 раз. Глубина зондирования составила 130 метров при рамке радиусом 12 метров и токе 2.5 А. Юрские отложения мощностью 30-40 метров надёжно «отбиваются» от карбонатных пород в условиях криолитозоны, что представляет особый интерес при поисках россыпных месторождений алмазов. По мнению Батуобинской геологоразведочной экспедиции аппаратура является перспективной при поисках и разведке кимберлитовых тел под траппами и россыпных месторождений под юрскими отложениями, детальном расчленении высокоомного и малоконтрастного геологического разреза на малых глубинах в условиях многолетней мерзлоты.
Новая технология позволяет решать поисковые и структурные задачи геофизики, определять распределение влажности и минерализации, выявлять тонкие слои и малоконтрастные объекты в инженерной геофизике и геоэкологии. Возможность работы с рамками размерами 4 метра может представлять интерес при работах по просекам, изучении ВЧР и зоны малых скоростей, при оптимизации системы возбуждения в сейсморазведке.
Малые габариты и энергопотребление аппаратуры, технология работ при небольших размерах приемно-питающей петли, позволяют проводить исследования и геоэлектроразведку в движении, при автоматической обработке и интерпретации результатов измерений для вывода параметров и структуры геоэлектрического разреза на экран компьютера.
Результаты, полученные после бурения скважин, хорошо совпадают с построенной геоинформационной геоэлектрической моделью объектов. Работа была представлена на двух выставках в ВВЦ (пав.57) и на двух региональных выставках в г. Саратове, доложена на одиннадцати международных конференциях и семинарах, защищена авторским свидетельством.
Список литературы:
, Плотников возможностей метода переходных процессов при изучении верхней части геологического разреза//Геофизика. 2004 г №6,. с. 33.
, Импульсная индуктивная электроразведка//М.:Недра,1985г. с.39-155.
, , Павлова технологии и аппаратуры импульсной геоэлектроразведки высокого разрешения для исследования структуры оползня и прогноза его развития//5-я Всерос. конф. АН РФ Оценка и управление природными рисками (Риск – 2003), Москва, 26–27.03 2003 г.. с.200.
