Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Электрическая анизотропия горизонтально-неоднородных сред

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Электрическая анизотропия горизонтально-неоднородных сред"

На правах рукописи

Ялов Тимофей Владимирович

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АНИЗОТРОПИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

25.00.10 — Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 НОЯ 2014

Москва-2014

005554780

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, Модин Игорь Николаевич

доцент

Ермохин Константин Михайлович

доктор технических наук, доцент, ООО «Теллур-СПб», заместитель генерального директора по научной работе

Ерохпн Сергей Анатольевич

кандидат геолого-минералогических наук, Открытое акционерное общество «Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в

строительстве, заведующий сектором электроразведки

Российский государственный

геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе

Защита состоится 17 декабря 2014 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.64 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, ауд. 308.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Отдела диссертаций Научной библиотеки МГУ (Ломоносовский проспект, д. 27, Фундаментальная библиотека, сектор «А», 8 этаж, к. 812) и на сайте в системе "Наука-МГУ" (ИСТИНА) по адресу: http://istina.msu.ru/dissertations/6923275/.

Автореферат разослан « ZЯ » 2014 г.

Никулин Борис Александрович

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

В настоящее время во многих странах мира наблюдается рост темпов строительства инженерных сооружений, а также освоения новых, ранее слабо индустриализованных районов. Это приводит к увеличению потребностей в малоглубинных геофизических исследованиях, призванных решать инженерные, экологические и технические задачи. Решение таких задач должно удовлетворять современным требованиям к точности геофизической съемки и интерпретации полученных данных. При этом обычно изыскания проводятся на территории городских агломераций, в сложных условиях производственных комплексов, при наличии техногенных помех и сильно нарушенных грунтов, а также в зонах развития вечной мерзлоты. Учет таких факторов необходим для качественного проведения малоглубинных исследований. Особое место в малоглубинных исследованиях занимает электроразведка постоянным током, которая в настоящий момент является наиболее применяемым методом в инженерной геофизике.

Актуальность темы

Геофизические исследования в сложных условиях при современных жестких требованиях к темпу работ, их точности и качеству стимулируют развитие новых методик, аппаратурных комплексов и инструментов интерпретации данных. Широкое применение получили многоканальные электроразведочные станции, позволяющие с высокой скоростью проводить профильные и площадные исследования, обеспечивая высокую плотность наблюдений. Последнее обстоятельство вместе с развитием информационных технологий значительно повысило качество интерпретации получаемых данных.

Таким образом, малоглубинные исследования методами постоянного тока, которые используют современную аппаратуру и методику, дают возможность получать большой объем данных высокого качества. Это приводит к

необходимости учета различных осложняющих факторов, влияние которых ранее считалось слабым или вовсе незначительным.

Теоретическое и практическое изучение различных сред методами электроразведки основано на аппроксимации их моделями разной сложности. Простейшей моделью среды является модель однородного полупространства, предполагающая неизменность свойств, как по вертикали, так и по горизонтали. Но реальные изучаемые среды редко можно описать такой моделью даже в первом приближении. Намного более распространена модель горизонтально-слоистой среды с однородными изотропными слоями. Однако, несмотря на свое удобство, эта модель не является универсальной и не может быть применима во всех случаях для решения инженерных задач, так как слоистая модель разреза встречается локально и бывает недостаточной для описания сложно построенной среды. Реальная геологическая среда может быть осложнена неоднородностями и анизотропией, влияние которых также необходимо учитывать. Особенно остро такого рода проблемы возникают при малоглубинных исследованиях, связанных с изучением верхней части разреза от нескольких метров до десятков метров. При этом, с одной стороны, требуется высокая точность определения параметров геологического разреза, а, с другой стороны, результаты геофизических исследований в виде итоговых интерпретационных разрезов легко проверяются с помощью бурения.

В общем случае неоднородность представляет собой трехмерное тело отличное по удельному сопротивлению от вмещающих пород. Такое тело может быть как объектом исследования методами малоглубинной электроразведки, так и фактором, искажающим результаты наблюдений.

Совместное проявление слоистости и неоднородностей в электрическом поле изучалось с помощью физического моделирования (И.М. Блох, А.Н. Боголюбов, М.М. Авдевич, А.Ф. Фокин и др.). Одновременно развивались аналитические подходы (Н.Г. Шкабарня, В.Г. Шак и др.). Были разработаны алгоритмы численного моделирования (JI.M. Альпин, В.И. Дмитриев, Е.В. Захаров, В.В. Кусков, И.Н. Модин, А.Г. Яковлев, H.H. Серебрянникова,

Т.Ю. Смирнова и др.). В настоящее время теоретические вопросы, связанные с учетом влияния неоднородностей на электрическое поле в горизонтально-слоистых средах, в целом решены. Результаты этих научных разработок используются в технологиях многоэлектродных электрических зондирований (Loke, Barker, И.Н. Модин, В А. Шевнип, Л.А. Бобачев, А.Е. Каминский и др.).

Анизотропия проявляется в зависимости свойств среды от направления. Физически анизотропия может быть связана с тонкой слоистостью, вытянутой формой частиц грунта, трещиноватостыо, льдистостью, метаморфизмом, напряженно-деформированным состоянием, то есть с литологическими, структурными, текстурными и тектоническими свойствами горных пород.

Анизотропия электрических свойств геологической среды изучается для решения таких геологических задач, как геологическое картирование (определение направления простирания слоистых толщ), оценка гидрогеологических и коллекторских свойств среды (определение направления трещиноватости пород), исследование напряженно-деформированного состояния горных пород и характера осадконакопления при первичном формировании текстурных особенностей горных пород.

Особенно необходимо отметить, что анизотропия электрических свойств затрудняет решение традиционных задач геофизики. Поэтому изучение и учет анизотропии также является важным фактором для правильной интерпретации данных метода сопротивлений в рамках горизонтально-слоистых и неоднородных сред.

Если на данные метода сопротивлений влияет анизотропия электрических свойств изучаемого разреза, то это влияние должно учитываться при интерпретации. Оценить влияние анизотропии электрических свойств геологической среды можно, анализируя данные азимутальных электрических зондирований и профилирований.

Изучение электрической анизотропии в рамках модели однородного полупространства проводили А.И. Заборовский, A.M. Пылаев, В.Н. Дахнов, С.&М. Schlumberger и др.. Проблему влияния анизотропии на электрическое поле в слоистых средах рассматривали в своих исследованиях И.И. Бреднев и С.С. Сысков, Ю.М. Гуревич и О.В. Сажина, С.З. Козак, A.C. Семенов, А.ГГ. Краев и другие. Кроме этого, изучалось совместное влияние анизотропии и неоднородностей на значения кажущегося сопротивления, измеряемые на поверхности земли (И.Н. Модин, Е.В. Перваго, С.А. Акуленко, Д.К. Большаков, R. Barker, К. Watson, J. Busby и другие). Взаимосвязь между направлением, степенью трещиноватости и поведением электрического поля была одной из тем исследований С.З. Козака, В.Н. Дахнова, R. Taylor, A. Fleming.

Данная работа направлена на создание более общей модели геоэлектрического разреза и посвящена изучению особенностей влияния анизотропии геологической среды на измеряемое в методе сопротивлений электрическое поле. В работе рассмотрены вопросы совместного влияния на электрическое поле сложных трещиноватых сред, слоистости и анизотропии, анизотропии и неоднородностей.

Цели и задачи работы

Целью работы является нахождение закономерностей в наблюдаемом электрическом поле, которые возникают над анизотропными средами, с помощью математического и физического моделирования, а также выработка методических рекомендаций и способов интерпретации данных азимутальных наблюдений электрического поля в методе сопротивлений.

В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:

• Изучение методик исследования анизотропных сред и применения

различных параметров оценки степени анизотропности пород на основе

обзора литературных данных.

• Изучение особенностей поведения кажущегося сопротивления, измеренного на поверхности земли, над трещиноватыми породами.

• Рассмотрение особенностей поведения кажущегося сопротивления, измеренного на поверхности среды, содержащей неоднородности.

• Проведение экспериментальных лабораторных исследований над средами с анизотропными свойствами.

• Поиск оптимальных параметров, определяющих степень влияния анизотропии и неоднородностей.

• Изучение анизотропных сред, содержащих шлировые льды.

• Разработка рекомендаций по методике исследований анизотропных и горизонтально-неоднородных сред с применением современных инструментов геофизической съемки и интерпретации.

При решении этих задач автором получены новые научные результаты.

• Произведен аналитический расчет формы полярных диаграмм кажущегося сопротивления над средами с двумя направлениями трещиноватости.

• С помощью физического моделирования показано поведение кажущегося сопротивления, измеренного с помощью кругового электропрофилирования над анизотропными средами с одной и двумя системами трещин и средами, содержащими неоднородности.

• Показано, что форма круговой диаграммы кажущегося сопротивления, измеренного над анизотропными средами с двумя системами трещин, не позволяет определить направления трещиноватости.

• На примере полевых данных продемонстрированы новые примеры влияния шлировой криотекстуры мерзлых пород на значения удельного электрического сопротивления.

• Показано, что учет анизотропных свойств мерзлых грунтов, содержащих шлировые льды, позволяет рассчитать значения удельного

электрического сопротивления близкие к наблюдаемым в полевых условиях.

• Представлена новая методика наблюдений и интерпретации данных с использованием многоэлектродной аппаратуры для оценки анизотропных свойств грунтов.

Теоретическая и практическая значимость

• Анализ результатов теоретического и практического изучения сред с двумя системами трещин показал, что для возможности корректно делать выводы о направлении развития трещиноватости опираясь на данные кругового электропрофилирования необходимо привлечение априорной информации.

• Предложенная автором методика измерений электрического поля с использованием многоэлектродной аппаратуры, направленная на комплексное изучение геоэлектрического разреза, позволяет построить сложные модели сред, включающие в себя слоистую среду, неоднородности и анизотропию.

• Показано, что комплексное использование спектральных и статистических параметров, определяющих степень влияния анизотропии и неоднородностей на измерения методом кругового электропрофилирования, позволяет делать обоснованные выводы о строении изучаемой среды.

• Приведены теоретические расчеты значений кажущегося сопротивления, измеренного над средами, содержащими шлировые льды. Расчеты произведены для разного пространственного расположения прослоев льда и различной льдистости, что позволяет делать объективные оценки значений удельного электрического сопротивления мерзлых грунтов.

Методология и методы исследований: литературный обзор, теория электромагнитного поля, численное моделирование методом конечных

элементов, численное моделирование методом интегральных уравнений, физическое моделирование, лабораторный эксперимент, полевой эксперимент.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Доказано, что полярные диаграммы кажущегося сопротивления, построенные по результатам измерений с использованием методики азимутального электропрофилирования на поверхности анизотропных сред с одной и двумя системами трещин, могут иметь только форму эллипса.

2. Несколько максимумов на полярных диаграммах кажущегося сопротивления возникают только при измерениях над горизонтально-неоднородными средами или в случаях, когда влияние неоднородностей превышает влияние анизотропии.

3. Грунты с шлировой криотекстурой обладают анизотропными свойствами. Учет влияния их электрической анизотропии объясняет высокие удельные электрические сопротивления, что позволяет делать правильные оценки литологического состава, льдистости и характера пространственного расположения прослоев льда в грунтах.

4. При решении задач геологического картирования для изучения анизотропии электрических свойств среды разработана специальная методика азимутальных наблюдений с использованием многоэлектродной аппаратуры, что позволяет повысить точность определения простирания слоистости, а также произвести анализ изменений анизотропных свойств с глубиной.

Степень достоверностп результатов

О достоверности результатов диссертационного исследования свидетельствуют: корректное использование современных инструментов разработки и исследования; совместное использование теоретического расчета, математического моделирования и физического эксперимента. Показана воспроизводимость результатов экспериментов; полученные в работе результаты

согласуются с результатами других авторов там, где их можно сопоставить. Также о достоверности диссертационного исследования свидетельствует самостоятельное решение автором задач, которые стояли перед соискателем.

Апробация результатов

Теоретические решения и рекомендованная автором методика опробована на представительных площадях с различным геологическим строением (Нижегородская область, Калужская область); изучение мерзлых пород с шлировой криотекстурой проводилось в Тюменской и Магаданской областях.

Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались на научных семинарах на кафедре геофизических методов исследований Земной коры МГУ им. Ломоносова, май 2009, 2013, 2014 гг.; на VIII, IX, X научно-практических конференциях "Инженерная геофизика", Геленджик, апрель 2011, 2012, 2013 и 2014 гг.; на международной конференции Near Surface Geophysics, EAGE, Париж, Франция, 2012 г.; на XI международной научно-практической конференции "Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых", Санкт-Петербург, 2013 г.

Публикации

Основные положения работы изложены в 9 опубликованных работах, в том числе в 3 статьях в печатных изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК, 1 статье в техническом журнале и 5 тезисах докладов на конференциях.

Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Модину Игорю Николаевичу за ценные советы, предоставленные возможности и неоценимую помощь. Автор благодарен и признателен профессору Шевнину Владимиру Алексеевичу за конструктивную критику и большую помощь при написании работы. Автор благодарит сотрудников кафедры

геофизических методов исследования Земной коры, аспирантов, магистрантов и коллег: Булычева A.A., Бобачева A.A., Большакова Д.К., Марченко М.Н., Иванову C.B., Акуленко С.А., Макарова Д.В., Пелевина A.A., Павлову A.M., Груздева А.И., Скобелева А.Д., Тамберга A.C. за помощь и поддержку. Также автор очень признателен своей семье, без которой эта работа вряд ли была бы воплощена в жизнь.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из титульного листа, оглавления, введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 40 иллюстраций и 4 таблицы. Список литературы состоит из 143 наименований.

Основное содержание работы

Во Введении описана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, теоретическая и практическая ценности, научная новизна результатов, а также защищаемые положения.

Глава 1. Азимутальное электропрофилирование над средами с одним и двумя направлениями трещиноватости

В первой главе диссертации представлен раздел, посвященный обзору современного уровня изученности анизотропных сред. В нем описаны существующие закономерности поведения электрического поля в анизотропных и неоднородных средах, а также основные темы исследований различных геофизических школ, занимавшихся проблемами анизотропии. Обзор современных знаний об анизотропных средах, а также инструментов их изучения позволил продемонстрировать оптимальные алгоритмы аналитического расчета электрического поля над анизотропными средами. Из представленного обзора следует, что в настоящее время изученность анизотропных свойств трещиноватых пород основана на рассмотрении простых моделей с одной системой трещин. Качественным шагом вперед

являлось бы изучение более сложно построенных сред, таких как среды с двумя системами трещин. Исследования подобного рода описаны в одной из работ американских геофизиков (Taylor R.W. & Fleming А. Н., 1988), в которой представлен анализ изучения анизотропных пород методом кругового электропрофилирования более чем на 50 участках в США, штат Висконсин. В этой публикации авторами предлагается систематизация круговых диаграмм кажущегося сопротивления в соответствии с результатами измерений роз трещиноватости на участках работ. При этом выделяется группа объектов с двумя направлениями трещиноватости, круговые диаграммы кажущегося сопротивления над которыми имеют несколько максимумов, и каждый из этих максимумов соответствует направлению развития системы трещин. Анализ таких диаграмм приводит авторов статьи к выводу, что при азимутальном электропрофилировании над объектами с двумя направлениями трещиноватости диаграммы кажущегося сопротивления являются суммой двух эллипсов, каждый из которых вытянут вдоль одного направления развития трещин.

Для более детального изучения возможностей применения азимутального электропрофилирования над сложными анизотропными средами, автором диссертации были проведены теоретические расчеты, проведено физическое и математическое моделирование для различных горизонтально-неоднородных сред, включая среды с двумя направлениями трещиноватости.

Применяя подход, предложенный Краевым (Краев А.П., 1951), представлены теоретические расчеты формы полярных диаграмм для метода азимутального электропрофилирования для моделей с одной системой вертикальных трещин, с двумя взаимно перпендикулярными системами вертикальных трещин, с двумя системами вертикальных трещин, пересекающимися под произвольным углом.

Запишем тензор проводимости полупространства, в котором присутствуют две взаимно перпендикулярные системы трещин, одна из

которых лежит в плоскости Х02, а другая в плоскости У02 (Рисунок 1а). При

этом раскрытие трещин в двух этих системах одинаковое и сопротивление

материала, заполняющего эти трещины, тоже одинаковое:

(< 0 0 \ о' = 0 (Тп 0 ,

\ О о а[)

где а'п и а[ — соответственно проводимости вдоль осей X, У и оси т.е. вкрест и вдоль трещиноватости.

Используя закон Ома в дифференциальной форме и уравнение Лапласа, можно получить выражение для потенциала точечного источника, расположенного на поверхности такой среды:

и= чЩ

2л^р^х2 + у2) + р[г2'

Изоповерхности потенциала для такой среды будут представлять собой эллипсоиды вращения, определяемые условием:

х2 + у2 г2

а) б)

Рисунок 1. Модели анизотропного полупространства а) с двумя взаимно перпендикулярными системами вертикальных трещин; б) с двумя системами вертикальных трещин, пересекающихся под произвольным углом.

На поверхности среды (при г=0) эквипотенциальные линии будут иметь форму вырожденного эллипса - окружности. Радиус такой окружности пропорционален у[р[.

Рассмотрим теперь модель полупространства с двумя системами вертикальных трещин пересекающихся под произвольным углом а. Как и в выше описанном случае, положим раскрытие трещин и сопротивление заполняющего их материала одинаковыми для каждой из систем (Рисунок 16). Расположим систему координат таким образом, чтобы ось Ъ была направлена вертикально вниз, а оси X и У находились в горизонтальной плоскости, причем ось X была параллельна биссектрисе угла а, а ось У - перпендикулярна ей.

Из соображений симметрии понятно, что тензор проводимости такой среды будет выглядеть следующим образом:

/ахх <*ху axz

а = [°ух СУуу Oyz

\°zx azy azz

где (JyX &ху> ~ Gzx> Gyz = azy.

Известно, что любую симметричную матрицу можно с помощью ортогональных преобразований привести к диагональному виду. Это означает, что существует такая ортонормированная система координат, в которой тензор проводимости примет вид:

Ox* 0 0

0 Oy, 0

0 0 0Z,

Тогда потенциал точечного источника в такой системе координат будет

равен:

_ _1 т]Рх,Ру,Р2>

2пJpx,x'2 + ру,у'2 + p2,z'2

Изоповерхности потенциала будут являться трехосными эллипсоидами, определяемыми уравнением:

х'2рх, + у'2ру, + z'2pz, = const.

Так как плоские сечения эллипсоидов имеют форму эллипса (или окружности), то и в плоскости ХОУ изолинии потенциала точечного источника, расположенного на поверхности среды с двумя вертикальными системами трещин, тоже будут иметь форму эллипса.

Также в работе приведены расчеты формы полярных диаграмм кажущегося сопротивления, полученных линейными установками, для рассмотренных моделей сред. Направление вытянутости эллипса кажущегося сопротивления для сред с одной системой трещин позволяет оценить простирание этих трещин согласно «парадоксу анизотропии». В случае двух взаимно перпендикулярных систем трещин круговая диаграмма кажущегося сопротивления будет иметь форму окружности, что может привести к неверной интерпретации такой среды, как изотропной. Если же в среде две идентичные вертикальные системы трещин, пересекающиеся под произвольным углом, то анализ эллипса кажущегося сопротивления не позволяет определить простирание каждой из этих систем. Более того, такой случай легко спутать с эффектом от наличия одной системы трещин или наклонной слоистости.

Для проверки результатов теоретических расчетов формы полярных диаграмм кажущегося сопротивления, полученных методом азимутального электропрофилирования над средами с одной и двумя системами трещин, были созданы три физические модели. В круглый пластиковый бак с водой были вертикально вставлены непроводящие тонкие пленки, сделанные из ПВХ. Конфигурация пленок соответствовала: модели однородной анизотропной среды с вертикальным падением слоистости (трещиноватости); модели полупространства с двумя вертикальными взаимно перпендикулярными системами трещин; модели полупространства с двумя вертикальными системами трещин, пересекающимися под углом 60°. Измерения кажущегося электрического сопротивления проводились по методике азимутального электропрофилирования с шагом 30° четырьмя установками: четырехэлектродной симметричной установкой Шлюмберже (симметричное вращение вокруг центра установки), дипольной осевой установкой

(симметричное вращение вокруг центра установки), установкой Веннера (несимметричное вращение вокруг одного измерительного электрода) и дипольной экваториальной установкой (несимметричное вращение вокруг точки, расположенной на отрезке, который соединяет центры питающего и измерительного диполей).

Результаты физического моделирования (Рисунок 2) подтвердили выводы, сделанные из теоретических расчетов. Формы полярных диаграмм кажущегося сопротивления, полученных с помощью азимутального электропрофилирования над средами с одним направлением распространения трещин и в случаях наличия двух вертикальных систем трещин, практически не отличаются. При наличии в среде двух систем трещин форма полярной диаграммы кажущегося сопротивления не имеет максимумов, отвечающих каждому из направлений, а вытянута либо вдоль одного приоритетного направления трещин, либо между двумя направлениями простирания трещин. При этом направление простирания трещин без привлечения априорной информации можно определить только в том случае, когда система этих трещин одна.

ООО

а) б) в)

Рисунок 2. Полярные диаграммы кажущегося сопротивления, полученные дипольной экваториальной установкой над моделями: а) с одной системой вертикальных трещин; б) с двумя взаимно перпендикулярными системами вертикальных трещин; в) с двумя системами вертикальных трещин, пересекающимися под углом 60°. Красными линиями показано направление простирания трещин.

Необходимо отметить, что при исследованиях трещиноватых сред также нужно учитывать влияние неоднородностей. При этом неоднородностью может быть не только какой-либо трехмерный объект, отличающийся по сопротивлению от вмещающей среды, но и сама зона трещиноватости. Как известно, рассмотрение среды как анизотропной возможно при соблюдении ряда условий, например, величины соотношения длины приемной линии и мощности одного ритма (вмещающая среда - трещина). В случае, если длина приемной линии соизмерима или меньше мощности ритма, то модель среды может считаться двумерно-неоднородной. При изучении трещиноватых пород с малой шириной раскрытия трещин наблюдается обратная ситуация: мощности ритмов во много раз меньше размеров приемной линии. Распространенным также является случай, при котором длина приемной линии соизмерима с размерами самой зоны трещиноватости.

ЗЗО^-""

зоо/ \б0

•VI ' I • I » I А 80 120 160 \ Ом'м 7

24о\ ^^ /120

----150

ЗЗО^-4-" зоо/ / ^30 \ \6°

\ . , . уу | . , 10 30 40 И

\ / Омм

24оХ Ч \ / / '120

\ 210^—1___ ■ ^

а) б) в)

Рисунок 3. а) Модель неоднородности типа «крест» и схема расчетных наблюдений установкой Веннера с несимметричным вращением. Полярные диаграммы кажущегося сопротивления, рассчитанные для следующих ситуаций: б) несимметричное вращение установки Веннера над проводящей вставкой: в) симметричное вращение установки Веннера над высокоомной вставкой.

Для изучения формы полярных диаграмм кажущегося сопротивления над такими средами была разработана модель типа «крест». Эта модель была реализована как инструментами математического моделирования, так и

физического. Для численного расчета модель представляла собой однородную среду с помещенной в нее вертикальной вставкой в форме креста (Рисунок За). Рассматривался случай повышенного сопротивления вставки - зона трещиноватости заполнена воздухом, и случай пониженного сопротивления вставки - зона трещиноватости заполнена водой или проводящими породами.

Производился расчет кажущегося сопротивления, для установки Веннера, длина приемной линии которой равнялась ширине зоны трещиноватости. Установка вращалась двумя способами: симметрично -вокруг своего центра и несимметрично - вокруг одного из приемных электродов.

Результатом моделирования являются полярные диаграммы кажущегося сопротивления (Рисунок 36,в), которые имеют максимумы значений в направлениях, соответствующих простиранию неоднородности в случае высокоомной вставки и минимумы в случае проводящей вставки.

Таким образом, изучение трещиноватых зон требует аккуратного выбора методики наблюдений. При наличии двух систем трещин и неверном выборе размера электроразведочной установки, полярная диаграмма кажущегося сопротивления может иметь несколько максимумов, которые не будут соответствовать направлению простирания трещин.

Глава 2. Мерзлые породы, содержащие шлировые льды, как анизотропная среда

Глава 2 посвящена изучению некоторых особенностей интерпретации данных электроразведки, полученных в районах распространения многолетнемерзлых пород. Как известно, мерзлый грунт обладает более высоким удельным электрическим сопротивлением по сравнению с грунтом такого же литологического состава в талом состоянии. При этом изучаемый разрез может быть сложен грунтами, сильно отличающимися по сопротивлению. Таким образом, одни и те же наблюденные значения удельного электрического сопротивления (УЭС) могут соответствовать как мерзлым

грунтам, так и талым, но другого литологического состава. Решение этой проблемы лежит в области комплексирования геофизических наблюдений, бурения инженерных скважин и лабораторных исследований. Но зачастую результаты бурения скважин, лабораторный анализ поднятого керна не находят отражения в полученных значениях УЭС.

Ярким примером такой проблемы может служить опыт проведения геофизических исследований на ряде нефтяных месторождений вблизи г. Новый Уренгой, где определенный по результатам бурения слой суглинков с шлировой криотекстурой отразился в поле УЭС, полученных с помощью метода ВЭЗ и электротомографии, в виде аномально высоких значений - 1500 -10000 Ом-м. При этом известно (Зыков Ю.Д., 2007), что суглинки при температуре -1.5°С (средняя температура подавляющего числа грунтов по данным температурного каротажа скважин на участке работ) при массивной текстуре мерзлого грунта должны обладать сопротивлением от 120 до 700 Ом-м. Таким образом, причиной столь высоких наблюденных значений УЭС предполагается содержание в грунте сетчато-шлировых льдов (тонких одно-или разнонаправленных прослоев льда). Большой интерес вызывает то, какой должна быть структура взаиморасположения шлиров, а главное, каково должно быть их объемное содержание в породе, чтобы увеличить УЭС в сотни раз.

Для изучения этого вопроса было рассмотрено несколько моделей сред с шлировой криотекстурой и произведен ряд расчетов значений УЭС. Одной из таких моделей стал приближенный по своим параметрам к реальной среде слоистый разрез, в который помещена двумерная неоднородность, характеризующая зону распространения тонких вертикальных прослоев льда. Для того, чтобы количественно оценить льдистость породы было введено два параметра: Ь- расстояние между шлирами и ¿/-толщина шлира.

Результатом расчета стала зависимость УЭС слоя мерзлых суглинков, содержащего зону распространения шлировых льдов (р""в) от параметра Ь'Л. Как и ожидалось, увеличение льдистости (уменьшение параметра Ь/сГ) приводит к возрастанию удельного электрического сопротивления, однако по

абсолютным значениям сопротивления слоя суглинков оказались ниже, полученных в поле. Например, для того чтобы сопротивление суглинка равнялось 2000 Ом-м, параметр 1Ус1 должен быть равен 0.2, т.е. при толщине шлира льда 5 см расстояние между шлирами должно быть 1 см, что представляется маловероятным и не подтверждается данными бурения. Таким образом, можно сделать вывод, что рассмотрение шлировой криотекстуры только как двумерной неоднородности не позволяет объяснить аномально высокие значения УЭС суглинков изучаемого региона.

Модель среды, содержащую вертикально расположенные прослои шлирового льда, можно представить как слоистую, т.е. с чередованием параллельных тонких пластов двух пород. Такая среда является классическим примером анизотропной.

В первом приближении эта модель отвечает самой простой анизотропной среде - анизотропному полупространству. Используя полученные в Главе 1 выражения, можно рассчитать продольное и поперечное кажущиеся сопротивления на поверхности такого полупространства для моделей с вертикальной, горизонтальной системой прослоев льда, а также с двумя и тремя взаимно перпендикулярными системами прослоев льда.

Таким образом, были исследованы зависимости от параметра Ь/й (Рисунок 4) для:

- продольного рк1в и поперечного ркп* сопротивлений полупространства с одной вертикальной системой прослоев льда;

- продольного р1сл и поперечного рпсл сопротивлений для среды с одной вертикальной системой прослоев льда, перекрытого слоем изотропных наносов;

- сопротивления ркг полупространства с горизонтальной системой прослоев льда;

- сопротивления рквв полупространства с двумя взаимно перпендикулярными вертикальными системами прослоев льда;

продольного Рк(вг и поперечного рКпВГ сопротивлений полупространства с одной вертикальной и горизонтальной системами прослоев льда;

сопротивления ркввг полупространства с двумя взаимно перпендикулярными вертикальными и горизонтальной системами прослоев льда.

Доля от общего числа измерений 0.1 0.2 0.3

J_,_I_I_I-

Рисунок 4. Гистограмма распределения значений УЭС мерзлых суглинков, полученных по результатам одномерной и двумерной интерпретации полевых данных, а также график зависимостей кажущегося сопротивления, рассчитанного для всех рассмотренных моделей, от параметра £/У.

Численное математическое моделирование методом интегральных уравнений позволило сделать вывод о том, что представление грунтов с шлировой криотекстурой в качестве двухмерной неоднородности не является адекватным и не может объяснить высокие значения УЭС суглинков исследуемого региона. Учет анизотропных свойств сред с прослоями шлировых льдов, напротив, позволяет достичь ожидаемых значений. Результаты расчетов зависимостей удельного электрического сопротивления грунтов со шлировой криотекстурой от параметра льдистости — отношения расстояния между прослоями льда к их толщине демонстрируют, что

рассмотрение анизотропных моделей с двумя и тремя системами прослоев льда, как наиболее приближенных к реальным геологическим средам, позволяют достичь значений УЭС, близких к полученным в полевых условиях, при меньших значениях параметра льдистости.

Глава 3. Методика применения многоэлектродной электроразведочной аппаратуры для определения анизотропных свойств грунтов

В основе традиционных методик изучения анизотропии негоризонтальных напластований лежит идея азимутальных (круговых) измерений. Это связано с тем, что в однородной среде анизотропные свойства горных пород проявляются в изменении кажущегося сопротивления в зависимости от азимута измерения и независимости от координат точки записи. Основным затруднением при интерпретации данных, полученных с помощью таких методик, является схожесть эффектов влияния анизотропии и влияния неоднородностей. Оба эффекта могут привести к тому, что полярные диаграммы кажущегося сопротивления имеют форму близкую к форме эллипса. Для того чтобы различать анизотропию и неоднородности, исследователями предложено несколько методик наблюдения и интерпретации полученных данных, обзор которых подробно изложен в Главе 3.

Автором диссертации предлагается адаптивная методика электротомографии для решения задач, связанных с изучением анизотропных свойств среды. Электротомография является современным инструментом для работы со сложно построенными средами. Накопленные знания в этой области, возможности современной электротомографической аппаратуры, высокая плотность наблюдений, алгоритмы инверсии данных позволяют на качественно новом уровне проводить исследования электрической анизотропии различных грунтов.

Для азимутальных наблюдений, лучше всего подходящих для изучения анизотропных свойств, целесообразно проводить измерения по нескольким профилям, пересекающимся в центре и имеющих различные направления. Угол

между профилями наблюдений влияет на точность построения полярной диаграммы кажущегося сопротивления, при этом показано {БольшаковД.К., 1997), что угол 30° является вполне приемлемым при работах с линейными установками. Длина каждого профиля определяется размерами участка исследований, желаемой глубинностью и аппаратурными возможностями.

Отдельного внимания требует выбор установок для проведения азимутальных измерений. Методика электротомографии позволяет использовать несколько установок, не меняя при этом физическое расположение электродов вдоль профиля, так как это обеспечивается протоколом управления коммутатором станции. При использовании линейных установок на первый план выходит методика несимметричного вращения. При этом для стандартных работ методом электротомографии одной из самых продуктивных является трехэлектродная установка Шлюмберже, несимметричное вращение которой установки дает хорошие результаты.

Кроме того, многими авторами (Watson К.A., Barker R.D., 1999, 2002, 2005, 2010; Busby J.P., 2000) предлагается использовать для решения задач, связанных с изучением электрической анизотропии, установку оффсет Веннера (Рисунок 5). Наблюдения установкой оффсет Веннера состоят из пары измерений: первое проводится стандартной установкой Веннера (р01), второе — той же установкой, но сдвинутой на один шаг между электродами (рог)-Таким образом, для двух измерений есть один общий измерительный электрод. При азимутальных наблюдениях вращение такой установки эквивалентно вращению обычной установки Веннера вокруг

1 2 3 4 5

а) ▼ а Т1 а Т а 'Т а Т

б)

А М N В ^

Т Т Т Т р™ 1

А М N В f

Т Т ▼ ▼ Р" J

Рисунок 5. Схема установки оффсет Веннера. а) Пять рабочих электродов, а - расстояние между соседними электродами; б) Два измерения установкой Веннера Роъ Рог и среднее арифметическое этих измерений Рд

одного из приемных электродов, поэтому также может использоваться термин «несимметричное вращение установки Веннера» как более распространенный в отечественной литературе.

Комплексное использование комбинированной трехэлектродной установки и установки Веннера с несимметричным вращением позволяет проводить качественные исследования анизотропных свойств грунта с помощью многоэлектродной аппаратуры.

Обработка данных, полученных разными установками, производится в несколько этапов. На псевдоразрезах кажущегося сопротивления, построенных по результатам наблюдений с помощью трехэлектродной установки, на качественном уровне определяется зона, расположенная в центре каждого профиля, внутри которой отсутствуют явные неоднородности. Далее проводится осреднение кривых ВЭЗ, расположенных в выбранной зоне, отдельно для установок AMN и MNB. Полученные средние кривые для установок AMN и MNB относятся к азимутам, соответствующим противоположным концам рассматриваемого профиля. Таким образом, достигается эффект несимметричного вращения установки, а осреднение кривых позволяет уменьшить влияние приповерхностных неодпородностей и случайных выбросов. Далее следует этап построения полярных диаграмм кажущегося сопротивления для каждого используемого разноса и качественной оценка формы диаграмм.

Для количественной оценки анизотропных свойств грунтов исследуемого разреза производится анализ нескольких параметров, служащих для разделения эффектов влияния анизотропии и неоднородностей. Первой группой таких параметров являются спектральные коэффициенты, рассчитанные посредством разложения в ряд Фурье кажущегося сопротивления, полученного с помощью азимутальных наблюдений {Первого Е.В., 1998): коэффициент анизотропии (X), степень асимметричности полярной диаграммы (у), отношение нечетных гармоник спектра кажущегося сопротивления к четным (iр). Вторая группа параметров связана со статистическим анализом кажущегося сопротивления, полученного с помощью наблюдений установкой Веннера с несимметричным вращением — индекс однородности 1 и индекс однородности 2 {Busby, 2000).

Значения каждого из параметров определяют преимущественное влияние анизотропии или неоднородностей на азимутальные измерения, а анализ изменений этих значений с увеличением разноса позволяет проследить изменение электрических свойств с глубиной.

Комплексирование приведенных способов обработки данных азимутальных наблюдений со стандартной методикой электротомографии позволяет значительно повысить качество интерпретации данных. Правильный анализ анизотропных свойств среды может внести в модель разреза, полученную методом электротомографии, изменения, связанные как с оценкой удельного электрического сопротивления, так и с оценками глубины границ. Приведенные в диссертационной работе полевые примеры использования методики подтверждают теоретические выводы, сделанные автором, а также демонстрируют состоятельность полученных результатов.

Заключение

В диссертационной работе проведено исследование различных сред с анизотропными по отношению к удельному электрическому сопротивлению свойствами, вызванными наличием трещиноватости и криогенной текстуры, а также предложена новая электроразведочная методика изучения анизотропных сред. При этом были выполнены аналитические расчеты, численное и физическое моделирование, ряд экспериментальных наблюдений, которые позволили получить следующие основные результаты:

• Выполненные автором аналитические расчеты потенциала электрического поля, а также продольного и поперечного кажущихся сопротивлений над средами с одной и двумя системами вертикальных трещин позволили сделать вывод о том, что полярные диаграммы кажущегося сопротивления, измеренного на поверхности анизотропного полупространства методом кругового электропрофилирования, будут иметь форму эллипса. При этом, в случае наличия одной системы параллельных трещин, большая полуось эллипса будет вытянута вдоль направления трещин, а в случае наличия двух систем трещин, большая полуось эллипса

будет вытянута между трещинами или вдоль одной приоритетной системы трещин. Этот вывод был подтвержден экспериментальными наблюдениями. Также автором показано, что несколько максимумов на полярных диаграммах кажущегося сопротивления может возникнуть при измерениях над горизонтально-неоднородными средами или в случаях, когда влияние неоднородностей превышает влияние анизотропии. Это доказано с помощью математического и физического моделирований.

• На примере полевых данных автором продемонстрировано, что мерзлые грунты с шлировой криотекстурой могут обладать аномально высокими значениями удельного электрического сопротивления, которые могут быть вызваны анизотропными свойствами таких грунтов. Аналитические и численные расчеты позволили учесть влияние пространственного расположения прослоев льда, а также степени насыщенности льдом грунтов на измерения кажущегося электрического сопротивления, выполненных на поверхности мерзлых суглинков. При этом рассмотрение анизотропных моделей с двумя и тремя системами прослоев льда, являющихся наиболее приближенными к реальным геологическим средам, позволяют достичь значений УЭС, близких к полученным в полевых условиях, при меньших значениях параметра льдистости.

• Автором предложена новая методика работ, направленная на изучение анизотропных свойств разреза с использованием многоэлектродной аппаратуры, которая позволяет повысить достоверность результатов интерпретации данных путем сбора большого количества данных и учета особенностей их обработки. В методике реализованы наработки различных исследователей, алгоритмы разделения эффектов от анизотропии и неоднородностей, возможность оценки изменения анизотропных свойств с глубиной. Полевые примеры использования методики подтверждают теоретические выводы, сделанные автором, а также демонстрируют состоятельность полученных результатов и их воспроизводимость другими методами.

Публикации по теме диссертации

1. Ялов Т.В. Азимутальное электропрофилирование над средами с двумя направлениями анизотропии. Инженерные изыскания, М., №9-10, 2014, с. 48-54.

2. Шевнин В.А., Бобачев A.A., Модин И.Н., Ялов Т.В. Различие результатов гальванических и индуктивных методов, новые примеры для ДИП и БИЭП. Записки Горного Института, Т.200,2013, с. 104-107.

3. Каринский АД., Шевнин В.А., Ялов Т.В. Изучение азимутальной анизотропии сопротивления среды с помощью метода ДИП. Геофизика,

2012, №3, с. 41-47.

4. Ялов Т.В. Азимутальное электропрофилирование над средами с двумя направлениями анизотропии. Тезисы X международной научно-практической конференции и выставки "Инженерная геофизика - 2014", EAGE, 2014, том 6, тезисы, с. 21-27.

5. Ялов Т.В. Применение многоэлектродной аппаратуры для определения анизотропных свойств грунтов методами электроразведки. Тезисы конференции "Применение современных электроразведочных технологий при поисках месторождений полезных ископаемых", Санкт-Петербург,

2013, с.103-106.

6. Шевнин В.А., Бобачев A.A., Павлова A.M., Ялов Т.В. Изучение слабой анизотропии рыхлых отложений палеодолины в Александровке методами электроразведки. Тезисы IX международной научно-практической конференции и выставки "Инженерная геофизика", Геленджик, 2013, с.1-6.

7. Модин И.Н., Ялов Т.В. Электрические свойства грунтов, содержащих шлировые льды. Тезисы VII Международной научно-практической конференции и выставки "Инженерная геофизика - 2011", М., 2011.

8. Шевнин В.А., Бобачев A.A., Модин И.Н., Ялов Т.В. Расхождение результатов гальванических и индукционных методов на практике по электроразведке в Александровке. Электронный журнал "Георазрез", 2011, том 8, № 1,с. 1-15.

9. Shevnin V.A., Karinsky A.D., Yalov T.V. Study of azimuthal resistivity anisotropy with dipole-dipole electromagnetic profiling. Proceedings of EAGE, Near Surface, Paris, France, 2012.

Подписано в печать: 16.10.2014

Заказ № 10291 Тираж - 130 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 vvww.autoreferat.ru