Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Частотно-дистанционные электромагнитные зондирования сред с дисперсией удельного электрического сопротивления

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Частотно-дистанционные электромагнитные зондирования сред с дисперсией удельного электрического сопротивления"

Б Ой

ц Д998 САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи БОБРОВ Никита Юрьевич

Частотно-дистанционные электромагнитные зондирования сред с дисперсией удельного электрического сопротивления

04.00.22 - ФИЗИКА ТВЕРДОЙ ЗЕМЛИ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико- математических наук

Санкт-Петербург 1998 г.

Работа выполнена в отделе физики Земли Научно-исследовательского института физики Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель : кандидат физико-математических наук,

доцент С.С.Крылов

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук,

А.А.Петров

Ведущая организация : Институт геоэлекгромагнитных исследований (филиал института физики Земли РАН)

засе; .... , , 5 по защите диссертаций на

соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском государственном: университете по адресу : 198034, Санкт-Петербург, Университетская! наб. 7/9, геологический факультет, ауд.347.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им.М.Горького Санкт-Петербургского государственного университета.

кандидат физико-математических наук, К.М.Ермохин

1998 года в ! 5~

часов на

Автореферат разослан

1998 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор геол.-мин. наук

В.А.Шашканов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Необходимость учета низкочастотной дисперсии (НЧД) электрических свойств геологической среды при проведении электромагнитных зондирований (ЭМЗ) с контролируемыми источниками поля признается большинством геофизиков, работающих в области электроразведки. Вследствие низкочастотной дисперсии эффективная диэлектрическая проницаемость горных пород может достигать аномально больших величин. Это означает, что влияние токов смещения может оказаться заметным даже в том частотном диапазоне, где обычно используется квазистационарная модель поля. До настоящего времени в ходе исследовании влияния НЧД основное внимание уделялось эффектам во временной области при зондированиях методом становления поля (ЗС), таким, как смена знака сигнала, осцилляции кривых зондирований. Дисперсия при зондированиях, выполняемых в частотной области, никогда ранее не выявлялась на практике. Между тем, эта задача является актуальной как с точки зрения повышения достоверности геологической интерпретации результатов ЭМЗ, так и при исследованиях собственно НЧД как природного феномена. Причиной частотной дисперсии являются различного рода поляризационные эффекты в горных породах, поэтому проявления НЧД на кривых зондирований могут рассматриваться как источник дополнительной информации о строении и физических свойствах геологической среды. Учитывая сложность постановки лабораторных экспериментов по измерению электрических свойств горных пород на образцах, оценка по данным ЭМЗ параметров НЧД в горных породах, особенно находящихся в мерзлом состоянии, представляет значительный интерес.

Цель работы заключалась в теоретическом исследовании проявлений НЧД при частотно-дистанционных электромагнитных зондированиях с вертикальным магнитным диполем и экспериментальном изучении мерзлых поляризующихся пород методами ЭМЗ.

Задачи работы

1. Исследование методом математического моделирования влияния НЧД при частотно-дистанционных зондированиях слоистых разрезов с поляризацией в одном из слоев.

2. Выявление мерзлых пород, для которых характерна низкочастотная дисперсия электрических свойств, проявляющаяся при электромагнитных зондированиях в килогерцовом диапазоне частот.

3. Оценка параметров НЧД в мерзлых породах по данным электромагнитных зондирований на п-ове Ямал.

4. Сравнение этих оценок с имеющимися данными об электрических свойствах мерзлых пород по измерениям на образцах.

Научная новизна

В ходе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые научные результаты:

- определены основные закономерности проявления дисперсии на кривых частотно-дистанционных зондирований в средней зоне источника поля,

- впервые экспериментально обнаружено влияние низкочастотной дисперсии в килогерцовом диапазоне при полевых ЭМЗ в частотной области,

- впервые параметры НЧД (поляризуемость, время релаксации) в горных породах определены по результатам ЭМЗ как в частотной, так и во временной области,

- дисперсия, выявленная по результатам ЭМЗ, рассмотрена в рамках конкретной модели поляризации (эффекта Максвелла-Вагнера на тонких изолирующих перегородках), и получены количественные оценки параметров геометрической модели среды,

- впервые проведено сравнение оценок электрических параметров мерзлых пород, полученных в результате полевых электромагнитных исследований, с результатами лабораторных измерений тех же параметров для пород сходного состава, и показано их соответствие.

Практическая значимость результатов

Полученные результаты важны для учета дисперсионных явлений при элекгроразведочных работах индуктивными методами, особенно в районах распространения многолетнемерзлых пород. Применение установленных критериев выделения дисперсионных эффектов на кривых зондирований при работах в частотной области, при одновременном проведении зондирований во временной области, повышает достоверность выявления дисперсии и поляризующихся слоев в геологическом разрезе. В ряде случаев информация о параметрах дисперсии может иметь не меньшую ценность, чем данные о сопротивлениях и границах слоев, извлекаемые при традиционной обработке кривых зондирований. Определение параметров частотной дисперсии при исследованиях. мерзлоты, проведенное в работе, открывает возможность изучения физического состояния мерзлых пород в условиях их естественного залегания методами электроразведки.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на научной конференции «Теория и практика магнитотеллурических зондирований» (Москва, 1994), конференции молодых ученых «Геофизика-97» (Петродворец, 1997), международной геофизической конференции "Москва - 97", на 58-й и 60-й международных конференциях EAEG (Амстердам, 1996, Лейпциг, 1998), ежегодных совещаниях объединенного Научного Совета по криологии Земли (Пущино, 1995-97 гг), а также на объединенном семинаре СПбГУ по проблемам частотной дисперсии (1997).

Публикации

Основные результаты исследований опубликованы в 7 работах.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 104 страницы машинописного текста, в том числе 30 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 87 наименовании.

Исследования по теме диссертации выполнялись автором в лаборатории геоэлектрики отдела физики Земли НИИФ СПбГУ в рамках проектов, финансируемых РФФИ (гранты №95-05-14756, №96-05-79064 ) и Минвузом России, в которых автор принимал участие в качестве исполнителя, и при финансовой поддержке администрации г. Санкт-Петербурга (грант № М97-2.5К-324 в категории кандидатский проект).

Автор выражает глубокую благодарность своему руководителю С.С.Крылову за постановку задачи и научное руководство на всех этапах выполнения работы. Автор искренне признателен инженеру Б.В.Степанову за обсуждение проблем, связанных с измерением процесса становления поля на ранних временах, а также магистрантам кафедры физики Земли И.В.Сороке и В.А.Лгобчичу, принимавшим участие в полевых экспериментах.

Кроме того, автор считает своим приятным долгом выразить благодарность сотрудникам Института геофизики СО РАН М.И.Эпову, Е.Ю.Антонову и И.Н.Ельцову за переданную программу для расчета поля становления над поляризующимися слоистыми средами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко рассмотрена история проблемы низкочастотной дисперсии в геоэлектрике, обоснована актуальность проведенных исследований, их научная новизна, определены задачи работы.

Наиболее известными проявлениями НЧД в электроразведке являются переходные процессы со сменой знака сигнала при зондированиях становлением поля в ближней зоне (ЗСБ). Это явление неоднократно наблюдалось экспериментально и хорошо изучено теоретически. Большой вклад в эти исследования внесли российские ученые В.А.Сидоров, А.М.Яхин, А.А.Молчанов, В.В.Тикша-ев, А.А.Петров, В.В.Кормильцев, А.М.Мезенцев, Ф.М.Каменецкий, В.П.Губа-тенко, Б.С.Светов, М.Н.Бердичевский и др. За рубежом изучением влияния НЧД при электромагнитных зондированиях занимались М.Р.РН.ч, СЖНо1т1апп, ТЛ.ес, О.А.Неитаап, А.Р.КшсЬе, К.Б.ЗгпйЬ, О.РД'/сз^ РЛУеккк. В результате исследований была подтверждена поляризационная природа немонотонно, в том числе со сменой знака, затухающих сигналов становления, определены условия, при которых могут наблюдаться такие сигналы. При описании этого круга явлений термины низкочастотная дисперсия (НЧД) и вызванная поляризация (ВП) часто используются в геофизической литературе как синонимы,

хотя, строго говоря, поляризация как физический процесс порождает частотную дисперсию эффективных характеристик среды - электропроводности и диэлектрической проницаемости.

Особое место среди известных поляризующихся сред занимают мерзлые породы. Промерзание резко увеличивает неоднородность горной породы, как на макро-, так и на микроуровне, что повышает вероятность возникновения поляризационных явлений. При ЭМЗ в районах распространения вечной мерзлоты неоднократно наблюдались процессы становления со сменой знака сигнала (Якутия, В.А.Сидоров, п-ова Ямал, Тазовский, В.Ю.Задорожная, Бурятия, Н.О.Кожевников, Аляска, G.Walker).

В частотной области характерные искажения кривых электромагнитных зондирований, которые можно было определенно интерпретировать как следствия НЧД, были впервые выявлены при работах электроразведочной паргии отдела физики Земли НИИФ СПбГУ на п-ове Ямал в начале 90-х годов. Работы выполнялись по методике частотно-дистанционных изопараметрических зондирований. НЧД проявлялась в килогерцовом диапазоне частот при зондированиях разрезов, содержащих сильно льдистые глины и суглинки морского происхождения. Появилась возможность связать поляризационные явления с определенным типом мерзлых отложений, однако для этого необходимо было сначала провести теоретические расчеты кривых зондирований над поляризующимися разрезами, чтобы решить более общий вопрос, как вообще дисперсия искажает результаты частотных зондирований слоистых разрезов, выполняемых в средней зоне источника. Наиболее распространенным типом источника при наземных малоглубинных исследованиях является вертикальный магнитный диполь (ВМД). Исследование влияния низкочастотной дисперсии электрических свойств горных пород при ЭМЗ с вертикальным магнитным диполем в частотной области составило основной предмет предлагаемой диссертации. Полученные теоретические результаты были затем применены для оценки параметров поляризации мерзлых пород по данным полевых электромагнитных исследований - задача, представляющая самостоятельный научный интерес.

Первая глава диссертации представляет собой обзор современного состояния проблемы НЧД в электроразведке. До настоящего времени большинство теоретических исследований НЧД выполнялось в рамках феноменологического подхода, который позволяет количественно охарактеризовать поляризацию с помощью небольшого числа параметров безотносительно к ее физической природе. В разделе 1.1 приведены основные положения, на которых основывается феноменологический подход, условия, которым должны удовлетворять формулы, описывающие зависимость электрических свойств от частоты. Чаще всего в задачах геоэлектрики для описания комплексной электропроводности поляризующейся среды используется формула Коула-Коула, параметры которой подбираются, чтобы воспроизвести характерные особенности наблюдаемых переходных процессов. В разделе 1.2 представлены варианты формулы Коула-Коула для электропроводности, удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости и соответствующие им эквивалентные электрические

схемы поляризующейся среды. Следует обратить внимание на различие постоянных времени релаксации поляризационного процесса при измерении реакции среды по току и напряжению. В первом случае (режим источника тока) сопротивление внешней электрической цепи равно бесконечности и постоянная времени г определяет процесс свободной релаксации в среде. Во втором случае, при включении источника ЭДС, релаксация происходит при наличии внешней цепи нулевого сопротивления. При индуктивном возбуждении ВП, которое имеет место при зондированиях с ВМД, первичным является индуцированное поле, и комплексная электропроводность среды а описывается формулой Ко-ула-Коула, в которую входит постоянная времени релаксации, соответствующая режиму генератора напряжения :

1

1--

(1)

1 + (/<иг)

где / - мнимая единица, а>- круговая частота приложенного поля, т- постоянная времени релаксации, V - - я,)/?, - поляризуемость, проводимость на высоких частотах, <т0- проводимость на низких частотах,, с - параметр степенной зависимости.

В разделе 1.3 изложены основные результаты предшествующего теоретического изучения влияния НЧД при электромагнитных зондированиях. В целом применение феноменологического подхода для этой цели оказалось достаточно эффективным, были выявлены основные закономерности проявления НЧД при индуктивном возбуждении электромагнитного ноля. Наиболее полно это явление изучено при зондированиях становлением поля в ближней зоне. В настоящее время молено уверенно утверждать, что дальнейшее развитие электромагнитных геофизических методов невозможно без учета этого явления. Игнорирование влияния дисперсии может приводить к ошибкам в интерпретации данных зондирований. С другой стороны, двойственная природа электромагнитных эффектов (индукционный и поляризационный их характер) может служить важным источником информации о строении геологической среды. Однако здесь мы не сможем продвинуться вперёд, не ответив на вопрос о физической природе частотной дисперсии. Для этого необходимо перейти к конкретным физическим моделям возникновения частотной дисперсии электрических свойств среды в диапазоне частот, используемом электроразведкой.

Физическая природа НЧД, наблюдающейся в каждом конкретном случае, может быть различной. Могут иметь место электрохимические, электрокинетические явления, процессы ионной диффузии. Однако перечисленные явления характеризуются относительно большими постоянными времени релаксации (>10° с), тогда как в практике электроразведки неоднократно наблюдались поляризационные процессы в микросекундном диапазоне времён (килогерцовом диапазоне частот). Частотная дисперсия здесь должна быть связана с иными причинами, одной из которых может быть макроскопическая неоднородность среды. В.Л.Сидоров одним из первых обратил внимание на то, что наличие в горной породе тонких прослоев изолятора ("природных конденсаторов"), на-

пример, трещин, заполненных льдом, нефтью, плохо проводящим минералом, может резко увеличить эффективную диэлектрическую проницаемость среды по сравнению с диэлектрическими свойствами компонент горной породы - явление, известное в физике как эффект Максвелла-Вагнера. В разделе 1.4 дан обзор результатов исследований роли эффекта Максвелла-Вагнера в электроразведке. Основное внимание в этих исследованиях было уделено простейшей, рассмотренной еще Максвеллом, модели среды, состоящей из чередования плоских хорошо и плохо проводящих прослоев. Такая среда является анизотропной по электрическим свойствам, ее комплексная электропроводность в направлении, перпендикулярном границам слоев, зависит от частоты электромагнитного поля, причем эта зависимость описывается формулой Коула-Коула (1) с показателем степени с-1 (с добавлением члена учитывающего вклад обычных токов смещения на высоких частотах, где с,и - диэлектрическая проницаемость среда на высоких частотах). Проводимость и диэлектрическая проницаемость компонент модели связаны простыми соотношениями с параметрами формулы Коула-Коула, ее электрические свойства в значительной степени определяются величиной «геометрического фактора» среды - относительной толщины плохо проводящих прослоев. Роль эффекта Максвелла-Вагнера возрастает при сочетании малых значений «геометрического фактора» и высокой электрической контрастности компонент. Несмотря на свою простоту, рассмотренная модель может быть принят в качестве первого приближения для описания механизма частотной дисперсии в горной породе, в которой наблюдается ориентированная в определенном направлении трещиноватость. Такая ситуация характерна, например, для зон разломов. Однако, в общем случае, структура геологической среды более сложна, и в будущем потребуется разработка моделей, более адекватно описывающих её электрические свойства.

Вторая глава посвящена математическому моделированию электромагнитных зондирований с вертикальным магнитным диполем в частотной области с учетом низко частотной дисперсии электрических свойств среды. Дисперсия рассматривалась в рамках феноменологического подхода. В задачи работы входило исследова ние влияния НЧД при частотно-дистанционных изопарамет-рических зондированиях (ИЗ) по методике Г.В.Молочнова, выполняемых в средней зоне, а также при дистанционных зондированиях (ДЗ) по методике А.В.Вешева. Следует отметить, что, хотя последние выполняются на фиксированной частоте, их результаты могут быть искажены частотной дисперсией вследствие нарушения условий квазистационарной модели поля, в рамках которой обычно проводится интерпретация. Задачи моделирования конкретизированы в разделе 2.1. С помощью программы для расчета электромагнитного поля дипольных источников с учетом токов смещения в среде, составленной на основе работы А.К^шЬа, были получены кривые зондирований слоистых разрезов с одним поляризующимся слоем. Частотная дисперсия электропроводности задавалась с помощью формулы Коула-Коула в виде (1), соответствующая ей формула для удельного электрического сопротивления р имеет вид :

/> = P.

l +--2-

(2)

1 +

где = l/a„-сопротивление на высоких частотах. Все теоретические расчеты были проведены при значении параметра степенной зависимости, равном единице. Выбор с= 1 обусловлен тем, что это максимальное значение для известных дисперсионных зависимостей, при котором дисперсионные эффекты на кривых зондирований проявляются наиболее ярко. Переходная характеристика электропроводности при с 1 соответствует закону экспоненциального спада. При значениях О с 1 дисперсионные искажения заметны в более широком частотном диапазоне, но их амплитуда уменьшается. Б.С.Световым показано, что при определенных ограничениях на величину поляризуемости диапазон изменения параметра с может быть расширен до 0<с<2, однако вопрос о том, какие реальные поляризационные процессы в горных породах могут привести к дисперсионным зависимостям с с > 1, остается открытым.

В разделе 2.2 изложены вопросы методики частотно-дистанционных изо-параметрических зондирований, которая была разработана в отделе физики Земли НИИФ СПбГУ и долгие годы успешно применяется на практике. При ИЗ частота и разнос изменяются одновременно, так, чтобы выполнялось условие -jf г-const. При этом сохраняется постоянным значение электромагнитного параметра установки р~\к\-г, где к - волновое число среды, г - разнос установки. ИЗ выполняются в средней зоне значений параметра (1<р<10). Над слоистой средой/иг подбирают, ориентируясь на значения параметра по первому слою р\. Измеряемой характеристикой электромагнитного поля чаще всего служит угол наклона большой оси эллипса поляризации. По значениям угла рассчитываются эффективные параметры - ру - кажущееся сопротивление, SK -кажущаяся продольная проводимость, ЯК - эффективная (кажущаяся) глубина проникновения поля. Результаты изопараметрических зондирований принято представлять в виде кривых зондирования рк(г), рк (Л'к) и рк(Як). Необходимо сделать одно методологическое замечание. Поскольку частотная дисперсия приводит к изменению сопротивления среды, при этом изменяется и параметр, так что зондирования перестают быть в строгом смысле слова изопарамет-рическими. Называя их так, мы будем иметь в виду выполнение условия iff г -const. Эффективные параметры рассчитываются по формулам, выведенным в квазистационарном приближении, и отклонения кривых зондирования от кривых для неполяризующейся среды, сопротивление которой равно р,„, рассматриваются как искажения.

Результаты расчетов кривых ИЗ двух-, трех- и четырехслойных разрезов с дисперсией в одном из слоев, а также дистанционных зондирований двухслойных разрезов, представлены в разделах 2.3-2.7. На основании этих расчетов можно сделать следующие выводы:

1. Низкочастотная дисперсия заметно искажает результаты электромагнитных зондирований, выполняемых в частотной области в средней зоне параметра установки. В некоторых случаях, в основном, при больших поляризуемостях, НЧД может приводить к появлению на кривых зондирований особенностей, нехарактерных для горизонтально-слоистых сред, по которым ее влияние может быть обнаружено. Однако при умеренных поляризуемостях НЧД, как правило, визуально не распознается по кривым ЭМЗ, интерпретация которых без учета дисперсии может дать неверные оценки параметров разреза.

2. Наибольшие искажения кривых зондирований наблюдаются в интервале частот, соответствующем величинам сот ~ 1. На величину и характер искажений влияют как параметры поляризационного процесса </ и г, так и мощность и глубина залегания поляризующегося слоя, определяющие соотношение его индукционной постоянной с постоянной времени релаксации.

3. Влияние НЧД проявляется наиболее сильно, если поляризующийся слой залегает в окружении плохо проводящих слоев, шунтирующее влияние которых на процесс поляризации мало.

4. Если поляризующийся слой подстилается высокоомным основанием, то при изопараме1рических зондированиях низкочастотная дисперсия может приводить к аномально быстрому выходу кривой рк{г) на асимптоту второго слоя, при этом угол наклона восходящей ветви кривой может быть больше предельного для ИЗ значения 54° (рис.1.а). На кривых (Л'к) при этом появляется характерный загиб, сопровождающийся видимым уменьшением (рис. 1.6), что может служить идентификационным признаком НЧД при зондированиях разрезов с горизонтальными границами слоев.

5. В случае отсутствия характерных искажений дисперсия в разрезе с плохо проводящим основанием может быть выявлена при проведении зондирований с разными значениями параметра установки. Суть предложенной методики состоит в том, что в области средних параметров, если среда не поляризуется, кривые />к(5'к) при фиксированной контрастности разреза фактически совпадают для = 2 8, тогда как при дисперсии в верхнем слое кривые для разных значений параметра расходятся. Проведение ИЗ с разными параметрами может служить аналогом многоразносных зондирований в методе становления поля.

6. Следствием НЧД в верхних слоях разреза может быть лучшее по сравнению с неполяризующейся средой выделение залегающего глубже хорошо проводящего слоя по кривым рк(Нк) изопараметрических зондирований, что можно рассматривать как увеличение их разрешающей способности.

7. В большинстве случаев влияние НЧД не изменяет характерный вид кривых дистанционных зондирований, выполняемых на фиксированной частоте. Возникновение аномальных искажений возможно, если частота соотносится с постоянной времени релаксации так, что <ог ~ 1.

1 10 100 1000 X, / ь

а)

Рк'Р!

б)

Рис.1. Кривые а) рк(г) и б) рК(Л*К) изопараметрических зондирований (р=4) над двухслойным разрезом типар^ > р\ с поляризующимся первым слоем. Индекс кривых - т!т\ , г\ = 0.6; г, = /гй,2 / р, - индукционная постоянная первого слоя, Л, - длина волны в первом слое, = 4тгр, / и[. Ж1фными линиями выделены кривые для разрезов с неполяризующимся и полностью поляризованным слоем.

В третьей главе рассматриваются результаты экспериментального исследования низкочастотной дисперсии при электромагнитных зондированиях мерзлых пород. В 1990-1992 и 1994-1995 г. электроразведочная партия отдела физики Земли НИИФ СПбГУ в составе экспедиции НПО "Авгит" по договору с РАО "Газпром" проводила полевые работы на территории Бованенковского га-зоконденсатного месторождения (ГКМ), находящегося в центральной части п-ова Ямал. В ходе полевых сезонов 1990-1992 гг. на некоторых участках место-

рождения были выявлены характерные искажения кривых частотно-дистанционных ИЗ, вызванные низкочастотной дисперсией электрических свойств мерзлых пород, слагающих разрез. Начиная с сезона 1994 г. одновременно с ИЗ на этих участках выполнялись ЗСБ в варианте с совмещенными петлями, и повсеместно были получены примеры немонотонно затухающих переходных процессов, в том числе с двукратной сменой знака сигнала.

В разделе 3.1 дано геологическое описание района работ по данным бурения и приведены характеристики мерзлых пород. Разрез представляет собой чередование песчаных и глинистых отложений плейстоценового - голоценового возраста. Для песков характерна массивная криотекстура и высокие (>1000 Омм) значения удельного электрического сопротивления. Глины и суглинки имеют морское происхождение и обладают повышенной засоленностью, поэтому при температурах в верхней части разреза около -4-5° С удельное электрическое сопротивление глинистых отложений оказывается близким к их сопротивлению в талом состоянии и составляет десятки Омм. В то же время, тонкодисперсные породы характеризуются высокой льдистостыо и значительной неоднородностью криогенного строения, что проявляется, в частности, в широком распространении шлировых и сетчатых текстур.

В разделе 3.2 приведена методика оценки параметров поляризации. Для описания дисперсии, как и при теоретических расчетах в главе 2, использовалась формула (2). Очевидно, с введением дополнительных параметров разреза (поляризуемость, время релаксации для одного, или, тем более, для нескольких слоев) неоднозначность решения обратной задачи резко возрастает, и подбор теоретической модели, удовлетворяющей экспериментальным данным, приобретает в значительной степени неформальный характер. Для получения осмысленных результатов необходимо уменьшать число подбираемых параметров за счет привлечения дополнительной априорной информации. Основной путь состоит в использовании данных бурения опорных скважин. Если такие данные имелись, они учитывались при задании мощностей слоев. Другие параметры моделей подбирались вручную, близость к экспериментальным точкам оценивалась визуально. В данной работе не ставилась задача построения строгого алгоритма решения обратной задачи с учетом НЧД. Основным требованием было воспроизведение общего хода кривых и характерных искажений, вызываемых дисперсией.

Результаты частотно-дистанционных зондирований представлены в разделе 3.3. Зондирования выполнялись по изопараметрической методике с комплектом аппаратуры "Ямал-4", разработанной в отделе физики Земли НИИФ СПбГУ. Источником поля служила горизонтальная квадратная петля 25x25 м. Рабочий диапазон частот аппаратуры - от 1.6 до 166 кГц, разнос установки изменялся от 20 до 200 м. Базовый геоэлектрический разрез в районе работ может быть представлен как четырехслойный типа Н-К. Верхний слой разреза образуют пески и супеси, перекрытые торфяниками. Этот слой часто маломощный и слабо выражен на кривых зондирований. Ниже залегают засоленные низкоом-ные суглинки морского генезиса, которые подстилаются высокоомной песча-

ной толщей. Опорным горизонтом для ЭМЗ являются сильно засоленные глины, которые находятся в пластичномерзлом состоянии и имеют удельное сопротивление 5-10 Омм. По данным бурения можно сделать вывод о хорошей выдержанности геологических границ и об отсутствии значительных горизонтальных неоднородностей в масштабах установки ЭМЗ, которые могут исказить электромагнитное поле (утлы наклона границ слоев в разрезе на большей части опорного бурового профиля не превышают 2°). Наиболее характерные кривые ИЗ, искаженные НЧД, получены на водораздельных останцах, где велика мощность третьего высокоомного песчаного слоя, и шунтирующее влияние низкоомного основания проявляется лишь на самых низких частотах рабочего диапазона. Восходящие ветви кривых рк(г), соответствующие переходу к третьему высокоомному слою, имеют углы наклона к оси абсцисс, большие 54°, что является характерным признаком при НЧД в вышележащем слое. Этот эффект выделяется устойчиво во многих точках, при направлен™ разносов в разные стороны, в том числе при встречных зондированиях. Пример кривой зондирования, полученной в точке, где имелась опорная буровая колонка, приведен на рис.2. На соответствующей кривой рк(5к) имеется перегиб, сопровождающийся уменьшением Л'К. На рис.2 приведена также теоретическая кривая, рассчитанная с учетом НЧД во втором слое для модели, границы слоев в которой задавались по данным бурения. При подобранных значениях параметров формулы Коула-Коула теоретическая кривая хорошо согласуется с экспериментальными точками. Без учета дисперсии модель подобрать невозможно.

Полевые кривые дистанционных зондирований, выполнявшихся на площадках Бованенковского ГКМ (раздел 3.4), согласуются с кривыми ИЗ с учетом НЧД, однако в большинстве случаев влияние дисперсии на кривых ДЗ малозаметно, и она не может быть обнаружена без привлечения данных других методов.

Дисперсионный характер искажений кривых ИЗ подтверждается результатами ЗС, которые представлены в разделе 3.5, Зондирования выполнялись с аппаратурой «Ямал-4», использовались квадратные совмещенные петли размером 25x25 м. Диапазон времен задержки - от 10 мке до 1 мс. Оценка влияния переходного процесса в генераторной петле на ранних временах показала, что им можно полностью пренебречь, начиная с 20 мкс. Зондирования становлением поля выполнялись в тех же точках, что и частотно-дистанционные изопара-метрические зондирования. Кривые становления имеют характерные особенности, свойственные проявлениям НЧД во временной области. Пример кривой ЗС приведен на рис.3. В интервале задержек 16-40 мкс ЭДС становления испытывает двойную смену знака. Теоретическая кривая ЗС рассчитывалась для 4-х слойной модели среды с поляризацией во втором слое, подобранной по данным ИЗ. Значения параметров формулы Коула-Коула, описывающей НЧД, которые дают наилучшее приближение кривой ЗС к экспериментальным точкам, хорошо согласуются с оценками тех же параметров по кривым ИЗ.

Частота, кГц

,2 10° 5 3 2 1° 5 3 2

Разнос, м

Рис.2. Пример кривой частотно-дистанционного изопараметрического зондирования, выполненного на кустовой площадке № 63 Бованенковского ГКМ, и результаты подбора по полевым данным модели среды с учетом НЧД.

Следует отметить, что в районе работ эффективная глубина проникновения поля становления уже на ранних задержках превышает 10 м, поэтому кривые ЗС не позволяют выделить верхние два слоя разреза. Между тем, смена знака ЭДС становления происходит в интервале времен задержки, соответствующем постоянной времени релаксации второго поляризующегося слоя. Без привлечения данных ИЗ и ДЗ, дающих информацию о самой верхней части разреза., интерпретация искаженной кривой становления была бы затруднительна. Как показывает практика, НЧД часто проявляется именно в приповерхностных слоях, поэтому представляется целесообразной разработка и программная реализация алгоритма совместной интерпретации данных ИЗ, ДЗ и ЗС при исследованиях поляризующихся разрезов.

1Е-2

1Е-3

< т

ш 1Е-4

X

О

ч т

1Е-5

1Е-6 -

1Е-7

Модель:

Р 20О 40 1000 ЮОмм Ь 3 10 43 м дисперсия во втором слое

—гттттгр

-Т-птттттг

1Е-6

1Е-5

1Е-4

Задержка, с

1Е-3

1Е-2

Рис.3. Пример кривой зондирования становлением поля, выполненного на кустовой площадке № 63 Бованенковского ГКМ, и результаты подбора по полевым данным модели среды с учетом НЧД.

Анализ всей совокупности данных полевых электромагнитных исследований на п-ове Ямал позволяет сделан, вывод, что низкочастотной дисперсией электрических свойств обладают засоленные суглинки морского генезиса, повсеместно распространенные в верхней части мерзлотного разреза. Интерпретация кривых частотно-дистанционных ИЗ и ЗС позволила оценить параметры дисперсии - поляризуемость ?/, время релаксации т, сопротивление р*. - при описании НЧД формулой Коула-Коула с показателем степени с = 1 (таблица 1). Соответствующие этим оценкам значения эффективной низкочастотной диэлектрической проницаемости еа являются аномально высокими для осадочных

горных пород. Для выяснения природы аномальной поляризации необходимо обратиться к моделям строения неоднородных сред.

<х=&\!6

Рис.4. Модель неоднородной двухкомпонентной среды с плоскопараллельными границами

В четвертой главе предпринята попытка рассмотрения НЧД электрических свойств мерзлых пород в рамках модели эффекта Максвелла-Вагнера в двухкомпонентной среде. В разделе 4.1 на основании известных формул для комплексной электропроводности среды, состоящей из чередования плоских хорошо и плохо проводящих прослоев (рис.4), получены оценки параметров этой модели, при которых достигаются значения параметров дисперсии, наблюдаемые на практике. При этом предполагается, что плохо проводящей компонентой в мерзлых суглинках является лед с диэлектрической проницаемостью е, -10. В таблице 1 приведены значения геометрического фактора среды а и удельного сопротивления ледяных прослоев. Оценки значений сопротивления и диэлектрической проницаемости хорошо проводящей компоненты дают, соответственно, рг ~ />, и ^ £,„ во всем интервале изменения остальных параметров.

Таблица 1.

Рос , Омм П Ео а рь Омм

20+40 0.4+0.6 (4-г8)х10"6 (0.5-И.8)х104 (0.9-ь6)х10 ~4 (0.9+2.3)х 105

Обращает на себя внимание малая (порядка 10"4-10~3) величина геометрического фактора а. Это связано с тем, что для заметной поляризации в килогерцовом диапазоне такой низкоомной среды, какой являются засоленные ямальские суглинки, требуется большая величина эффективной диэлектрической проницае-

мости на низких частотах. Лишь при этом условии токи смещения могут сравняться с токами проводимости (e>s « а). В рамках рассматриваемой модели это означает необходимость уменьшения толщины плохо проводящих прослоев, что, на языке электротехники, приведет к увеличению эффективной емкости системы. Однако трудно представить себе на практике существование в мерзлых породах столь тонких и пространственно выдержанных ледяных прослоев. Полученная оценка справедлива и на микроуровпе для модели среды, в которой тонкие перегородки перекрывают проводящие поровые каналы (А.Д.Талалов, Д.С.Даев). Таким образом, простая модель поляризации Максвелла-Вагнера не может адекватно объяснить наблюдаемые аномально высокие значения суглинков в килогерцовом диапазоне частот, сочетающиеся с их малым удельным электрическим сопротивлением. Этот результат указывает на необходимость рассмотрения моделей, на микроуровне учитывающих реальную геометрию порового пространства, а на макроуровне - сложность криогенной текстуры и существование льдистых неоднородностей разного пространственного масштаба.

Заключительный обзор основных экспериментальных данных об электрических свойствах мерзлых пород (раздел 4.2) дает представление о том, как соотносятся оценки параметров дисперсии, полученные по данным ЭМЗ, с результатами лабораторных измерений разных авторов.

Таблица 2.

Влажные гли- Мерзлые за- Мерзлые не- Мерзлые незасо-

нистые смеси, соленные засолещше ленные глины ес-

насыщенные суглинки, глины (образ- тественного про-

р-ром NaCl, t°~ -5°С цы из керна исхождения,

W =20-30% (по данным скважин), V/ -20.8%,

(Талалов, Даев, ЭМЗ) t°~10°C Г>=-5-]0°С

1996) (Olhoeft, 1977) (Ага1а,Мае:по,1989)

р», Омм 1+8 20-г40 102ч-105 >103

1 > С <10"7 (4*8)- 10"6 ю^ю-4 >10^

со, отн.ед. (0.3-2)- 103 (0.5+8)- 101 юМо4 >103

Сравнение оценок удельного электрического сопротивления и постоянной времени релаксации для мерзлых засоленных ямальских суглинков с данными измерений на образцах пород сходного состава показывает (таблица 2), что эти оценки лежат между значениями, характерными для мерзлых незаселенных и засоленных влажных глинистых пород, что соответствует представлениям о зависимости электрических свойств от температуры и степени засоления.

В заключении обобщены основные результаты проведенных исследований, которые позволяют сформулировать следующие защищаемые положения:

1. Низкочастотная дисперсия существенно искажает кривые частотно-дистанционных изопараметрических зондирований. Если поляризующийся слой подстилается высокоомным основанием, уменьшение кажущейся продольной проводимости при уменьшении частоты может служить характерным признаком дисперсионных искажений. При отсутствия значительных искажений частотная дисперсия может быть выявлена при проведении изопараметрических зондирований с разными значениями параметра установки.

2. Искажения кривых электромагнитных зондирований на п-ове Ямал вызваны частотной дисперсией удельного электрического сопротивления мерзлых засоленных суглинков, залегающих в пределах верхних 15 м разреза. Характерные искажения кривых ИЗ наблюдаются в тех же точках, что и переходные процессы с двукратной сменой знака сигнала при ЗСБ. Оценки параметров дисперсии по данным зондирований в частотной и временной области хорошо согласуются между собой.

3. Частотная дисперсия в мерзлых ямальских суглинках имеет место в кило-герцовом диапазоне частот (постоянная времени релаксации (4-^8)- 10"6 с) и характеризуется аномально высокими значениями поляризуемости (0.4-0.6) и эффективной диэлектрической проницаемости на низких частотах (0.5-5-1.8)- 103 отн.ед.

Результаты исследований опубликованы в следующих работах :

1. Крылов С.С., Бобров Н.Ю., Сорока И В. Поляризация криогенных пород и её проявления на кривых электромагнитных зондирований // Геофизические исследования криолитозоны. Вып.1 . Под ред. А.Д.Фролова. М.: Научный совет по криологии Земли РАН. 1995. С. 112-123.

2. Крылов С.С., Бобров Н.Ю. Электромагнитные методы при изысканиях на мерзлоте // Геофизические исследования криолитозоны. Вып. 1 . Под ред. А.Д.Фролова. М.: Научный совет по криологии Земли РАН. 1995. С. 124-135.

3. Krylov, S.S., Bobrov, N.Yu. Electromagnetic probing of permafrost and frequency dispersion of conductivity // EAEG 58-th Conference and Technical Exhibition (Amsterdam, 3-7 June 1996). Extended Abstracts. P024.

4. С.С.Крылов, Н.Ю.Бобров. Частотная дисперсия электрических свойств мёрзлых пород при электромагнитных зондированиях с вертикальным магнитным диполем // Физика Земли. 1997. №3. С.64-70.

5. Бобров Н.Ю., Столярова Н.О. Поляризационные эффекты при электромагнитных зондированиях в частотной области // Международная геофизическая конференция и выставка "Москва - 97" (15-18 сентября 1997 г., Совинцентр, Москва). Сборник тезисов. В3.5.

6. Krylov, S.S., Bobrov, N.Yu., Wächter В. induced polarization effects in frequency and time domain electromagnetic soundings // EAEG 60-th Conference and Technical Exhibition (Leipzig, 8-12 June 1998). Extended Abstracts. 10-02.

7. Krylov, S.S., Bobrov, N.Yu. Anomalous Electrical Properties of Saline Permafrost at the Yamal Peninsula, North-Western Siberia, from the Data of Field Electromagnetic Survey // Proceedings of the VII-th International Conference on Permafrost (Yellowknife, 23-27 June 1998).

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Бобров, Никита Юрьевич, Санкт-Петербург

/ / / /

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи БОБРОВ Никита Юрьевич

Частотно-дистанционные электромагнитные сред с дисперсией удельного электрического

Специальность 04.00.22 - ФИЗИКА ТВЕРДОЙ ЗЕМЛИ

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук,

доцент С.С.Крылов

зондирования сопротивления

Санкт-Петербург 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ДИСПЕРСИИ В ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКЕ (ОБЗОР).............................................................13

1.1. Феноменологический подход при изучении низкочастотной дисперсии......................13

1.2. Эмпирические зависимости, используемые при математическом моделировании низкочастотной дисперсии......................................................................................................16

1.3. Основные результаты изучения низкочастотной дисперсии при индуктивном возбуждении электромагнитного поля...................................................................................21

1.4. Эффект Максвелла-Вагнера в горных породах как возможная причина низкочастотной дисперсии......................................................................................................24

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ ДИПОЛЕМ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ С УЧЕТОМ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ДИСПЕРСИИ................27

2.1. Постановка задачи............................................................................................................27

2.2. Методика частотно-дистанционных изопараметрических зондирований..................28

2.3. Поле вертикального магнитного диполя над однородной диспергирующей средой.......................................................................................................................................30

2.4. Частотно-дистанционные изопараметрические зондирования двухслойных сред с дисперсией в одном из слоев..................................................................................................36

2.5. Частотно-дистанционные изопараметрические зондирования трехслойной среды типа Н с дисперсией во втором слое......................................................................................51

2.6. Частотно-дистанционные изопараметрические зондирования четырехслойной

среды типа Н-К с дисперсией во втором слое......................................................................52

2.7. Низкочастотная дисперсия при дистанционных зондированиях...................................53

3. ПРОЯВЛЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ДИСПЕРСИИ ПРИ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЗОНДИРОВАНИЯХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД.............................58

3.1. Геологическое строение мерзлотных разрезов в районе работ (Бованенковское ГКМ)...........................................................................................................61

3.2. О методике оценки параметров дисперсии....................................................................63

3.3. Низкочастотная дисперсия при частотно-дистанционных

изопараметрических зондированиях.......................................................................................65

3.3.1. Площадки # 63 и # 68..................................................................................................65

3.3.2. Площадка #64.............................................................................................................73

3.3.3. Площадка #52.............................................................................................................73

3.4. Низкочастотная дисперсия при дистанционных зондированиях.............................74

3.5. Низкочастотная дисперсия при зондированиях становлением поля в ближней зоне...76

4. О ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ДИСПЕРСИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕРЗЛЫХ ПОРОД.............................................................83

4.1. Структурные модели диспергирующих сред. Модель эффекта Максвелла-Вагнера применительно к мерзлым породам.....................................................................83

4.2. Частотная дисперсия в килогерцовом диапазоне по данным ЭМЗ..................................

и современные представления об электрических свойствах мерзлых пород.......................90

4.2.1. Особенности электрических свойств мерзлых осадочных пород

по результатам измерений на искусственно приготовленных образцах.........................90

4.2.2 Сравнение параметров дисперсии по данным ЭМЗ с результатами лабораторных измерений электрических свойств мерзлых глинистых пород естественного состава........................................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................98

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................100

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в геоэлектрике заметен устойчивый интерес к наблюдаемым при работах индуктивными методами процессам и явлениям, которые не находят объяснения в рамках классических представлений об электрических свойствах горных пород. Теория современных электромагнитных методов разведки основывается на решении уравнений Максвелла в кусочно-однородных средах, характеризующихся набором материальных констант - a, jli, е. Большинство горных пород являются немагнитными средами, для которых ju = ju о= 4п-10~7 Гн/м. В однородной среде а характеризует движение свободных зарядов, происходящее синфазно с возбуждающим электрическим полем - ток проводимости, s - колебательное движение связанных зарядов - ток смещения, сдвинутый по фазе на к/ 2 относительно поля. Электромагнитное поле связано с параметрами среды через волновое число к, квадрат которого

к2 = icojucj - СО2¡LIE ,

где со r2jrf7 f - частота поля. Как правило, в диапазоне частот 1 кГц - 1 МГц, используемом в низкочастотной индуктивной электроразведке, пренебрегают влиянием токов смещения, полагая сое «о, и рассматривают квазистационарную модель поля, для которой к - -yjicujua .

Реальные горные породы являются сложными гетерогенными полифазными образованиями. При протекании в них электрического тока на границах неоднородных по электрическим свойствам областей происходят сложные электрофизические и электрохимические процессы, сопровождаемые макроскопическим разделением зарядов, т.е. поляризацией. Движение носителей заряда в поляризующейся среде происходит с дополнительным, зависящим от частоты, сдвигом фаз по отношению к первичному полю, а значит, электропроводность среды становится комплексной и частотно-зависимой. Таким образом, поляризация горной породы приводит к частотной дисперсии ее электрических свойств, хотя в геофизической литературе эти термины часто используют как синонимы, не разделяя причину и следствие. Чтобы подчеркнуть различие с частотной дисперсией в ИК, оптическом и УФ диапазонах, вызываемой поляризацией атомов и молекул вещества, в геоэлектрике применяют термин "низкочастотная дисперсия" (НЧД). Во временной области параметры поляризующейся среды обладают переходной характеристикой, т.е. последействием или памятью.

В диапазоне частот ниже 1 кГц переходные процессы, регистрируемые при возбуждении геологической среды ступенью тока или напряжения, традиционно объединяют названием "вызванная поляризация" (ВШ и используют при работах одноименным методом электроразведки. Результаты экспериментального и теоретического изучения явления ВП в нашей стране и применения метода ВП обобщены в монографиях В.А.Комарова [28], Б.И.Геннадиника [8], С.М.Шейнмана [62], В.В.Кормильцева и А.М.Мезенцева [30], А.В.Куликова и Е.А.Шемякина [38] и др. Установлено, что причиной ВП в этом частотном диапазоне в ионопроводящих горных породах являются электродиффузионные процессы в капиллярах переменного сечения, а в породах, содержащих электронопроводящие включения - процессы электролиза на контакте поро-вого раствора и электронного проводника. При этом определяющим для поляризации является существование двойного электрического слоя на границе твердой и жидкой фазы. Процесс поляризации считается линейным по отношению к полю или плотности тока, используемым на практике.

Теория метода ВП обычно строится в предположении того, что к моменту начала измерений ЭДС ВП электродинамические переходные процессы уже закончились, хотя возможность их учета на ранней стадии переходного процесса ВП рассматривается [30]. С другой стороны, классическая электроразведка традиционно пренебрегала влиянием ВП при индуктивном возбуждении. Было принято считать, что поляризационные процессы в горных породах имеют достаточно большие постоянные времени (от единиц миллисекунд до минут и даже часов) и могут не учитываться в большинстве методов электроразведки на переменном токе, использующих частотный диапазон 1 кГц-1 МГц. Практика, однако, показала, что многие явления, наблюдаемые при электромагнитных зондированиях, могут быть объяснены, только если принять во внимание вызванную поляризацию среды (частотную дисперсию ее электрических свойств). При этом исследователи столкнулись с поляризационными процессами более быстрыми, чем изучаемые методом ВП, с постоянными времени 10 ^ - 10 "4 с, сигнал от которых становится сравним с сигналом индукционного становления уже на ранней стадии измерений во временной области. При частотной дисперсии эффективная низкочастотная диэлектрическая проницаемость может достигать аномально больших величин, поскольку к обычному току смещения, определяемому диэлектрическими свойствами горной породы, добавляется ток смещения, вызванный накоплением зарядов вследствие поляризации. Это означает, что даже в том частотном диапазоне, где обычно ис-

пользовалась квазистационарная модель поля, может возникнуть ситуация, когда

~ с. Осознание этого факта, вместе со многими другими, позволило сформулировать необходимость перехода от классической к "неклассической" геоэлектрике, учитывающей гетерогенность и полифазность геологической среды и многообразие процессов, протекающих в ней при электромагнитном возбуждении [50]. Таким образом, намечается своего рода синтез подходов ВП и индуктивной электроразведки.

Наиболее известными проявлениями ВП в электроразведке являются процессы со сменой знака ЭДС становления при зондированиях становлением поля в ближней зоне (ЗСБ), интерес к которым в России возрос со второй половины 60-х годов, когда в ходе производственных работ этим методом в НВНИИГТ был накоплен большой объем экспериментального материала. Необходимость объяснения этого явления стимулировала в 70-е - 80-е гг. проведение теоретических и экспериментальных исследований влияния ВП при электромагнитных зондированиях (ЭМЗ), большой вклад в которые внесли В.А.Сидоров, А.М.Яхин, А.А.Молчанов, В.В.Тикшаев, А.А.Петров, В.В.Кор-мильцев, А.М.Мезенцев, Ф.М.Каменецкий, В.П.Губатенко, Б.С.Светов, М.Н.Бердичевский и др. За рубежом ряд работ в этом направлении выполнили M.F.Flis, G.W.Hohmann, T.Lee, G.A.Newman, A.P.Raiche, R.S.Smith, G.F.West, P.Weidelt и др. В результате исследований была подтверждена поляризационная природа немонотонно, в том числе со сменой знака, затухающих сигналов становления, определены условия, при которых могут наблюдаться такие сигналы. Особое внимание бьшо обращено на связь НЧД с феноменом высокоразрешающей электроразведки.

Большинство теоретических исследований НЧД выполнялось в рамках феноменологического подхода, применение которого, безусловно, оправдано на начальном этапе, так как позволяет количественно охарактеризовать явление ВП с помощью небольшого числа параметров, которым затем можно попытаться дать физическое содержание. Чаще всего в задачах геоэлектрики для описания комплексной электропроводности используется формула Коула-Коула, параметры которой подбираются, чтобы воспроизвести характерные особенности наблюдаемых переходных процессов. В то же время остается нерешенным вопрос о физической природе поляризационных явлений, приводящих к частотной дисперсии электрических свойств среды в килогерцовом диапазоне. Имеющиеся данные лабораторных измерений электрических свойств образцов горных пород противоречивы, и в большинстве случаев не могут быть напрямую соот-

несены с оценками параметров ВП, получаемыми по результатам ЭМЗ. Исключением являются работы Ф.М.Каменецкого и П.И.Новикова по физическому (аналоговому) моделированию индукционных переходных процессов в поляризующейся среде, подтвердившие влияние состава влагонасыщенной песчано-глинистой смеси на момент смены знака сигнала становления [20]. Проблема заключается в том, что электрические параметры горных пород в условиях их естественного залегания, определяемые при ЭМЗ, могут отличаться от тех же параметров, измеряемых в масштабах образца в лаборатории (в особенности это справедливо в отношении мерзлых пород). Одной из причин дисперсии может являться макроскопическая неоднородность геологической среды. Если среда содержит тонкие высокоомные прослои ("природные конденсаторы"), эффект Максвелла-Вагнера может приводить к заметной частотной дисперсии ее электрических свойств в макромасштабе. Исследованию роли этого эффекта в горных породах посвящено значительное число работ.

Особое место среди известных поляризующихся сред занимают мерзлые породы. Промерзание резко увеличивает неоднородность горной породы, как на макро-, так и на микроуровне, что повышает вероятность возникновения поляризационных явлений. Структурные особенности строения мерзлых пород, определяющие их электрические свойства, позволили Б.П.Геннадиннику в своей классификации горных пород при моделировании явления ВП выделить их в особую группу, наряду с ионопроводящими скальными и рыхлыми породами. При ЭМЗ в районах распространения вечной мерзлоты неоднократно наблюдались процессы становления со сменой знака сигнала (Якутия [44], п-ов Тазовский [17], Бурятия [27], Аляска [86]). Мерзлые породы демонстрируют большое разнообразие условий, способствующих поляризации, так как при каждой отрицательной температуре порода одного и того же литологического состава фактически представляет собой среду с отличными электрическими свойствами [58]. Поэтому мерзлые породы являются чрезвычайно интересным объектом с точки зрения изучения НЧД и проверки гипотез о физической природе поляризационных явлений.

До настоящего времени в ходе исследований влияния НЧД при ЭМЗ основное внимание уделялось эффектам во временной области при зондированиях методом становления поля. Это неудивительно, так как основной объём работ в индуктивной электроразведке с контролируемыми источниками поля выполняется именно этим методом. Однако при изучении верхней части разреза (ВЧР) достаточно широко применяются также методы, в которых используются гармонически меняющиеся поля. Очевид-

но, частотная дисперсия будет влиять и на результаты зондирований в частотной области, но математическое моделирование с учетом дисперсии до сих пор выполнялось лишь для частотных зондирований в дальней зоне и для МТЗ. При исследованиях небольших глубин (несколько десятков метров) используются портативные установки небольшой мощности с рабочим диапазоном частот, который не позволяет эффективно проводить зондирования ВЧР по стандартной методике 43, так как при небольших разносах и обычных (десятки-сотни Омм) значениях сопротивлений осадочных пород трудно соблюдать условие дальней зоны. В малоглубинной электроразведке с гармоническими источниками поля наибольшее применение нашли частотно-дистанционные изопараметрические зондирования (ИЗ) по методике Г.В.Молочнова [41], выполняемые в средней зоне источника, а также дистанционные зондирования (ДЗ) по методике А.В.Вешева [6]. Следует отметить, что хотя последние выполняются на фиксированной частоте, их результаты также могут быть искажены частотной дисперсией вследствие нарушения условий квазистационарной модели поля, в рамках которой обычно проводится интерпретация.

Дисперсия при зондированиях, выполняемых в частотной области, никогда ранее не выявлялась на практике. Между тем, эта задача является актуальной как с точки зрения повышения достоверности геологической интерпретации результатов ЭМЗ, так и при исследованиях собственно НЧД как природного феномена. Неоднократно отмечалось, что поляризационные эффекты на кривых зондирований могут рассматриваться не только как искажающая результат помеха, но и как источник дополнительной информации о строении и физических свойствах геологической среды. С этой точки зрения применение частотных зондирований может иметь особое значение. Известно, что при зондированиях становлением поля часто затруднительно определить, глубинный или поверхностный эффект НЧД имеет место в каждом конкретном случае. Одновременное проведение зондирований в частотной области позволит независимо оценить параметры НЧД (поляризуемость, время релаксации) и уменьшить неоднозначность интерпретации кривых, так как зондирования этими методами проводятся в разных зонах источника поля.

При работах на Крайнем Севере в районах распространения вечной мерзлоты сотрудниками электроразведочной партии отдела физики Земли НИИФ СПбГУ неоднократно наблюдались эффекты, которые с современных позиций могут быть связаны с

НЧД *.Однако длительное время это явление специально не исследовалось, а ис