Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Оптимизация методики геофизических исследований (электроразведка) при решении гидрогеологических задач в условиях Туниса

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация методики геофизических исследований (электроразведка) при решении гидрогеологических задач в условиях Туниса"

У ^ С О О.м о На правах рукописи

\ Л1 '-С'.!/!/О *

ЛТИФА АДЕЛЬ

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАНИЙ (ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ) ПРИ РЕШЕНИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В УСЛОВИЯХ ТУНИСА

Специальность 04.00.12 - «Геофизические методы поисков

и разведки месторождений полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук

профессор В.Х.Захаров

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

старший научный сотрудник Л.А.Петров

доктор геолого-минералогических наук доцент В.ВЛнтонов

Ведущая организация: Петербургская комплексная геологическая экспедиция

Защита состоится 19 марта 1999 г. в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного Совета Д.063.15.02 в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) по адресу 199026 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.7320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).

Автореферат разослан_1999 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного Совета доцент

А.Г.МАРЧЕНКО

Российская Государственная библиотека

1999 __!

-—ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Проблема обеспечения водными ресурсами является важнейшей для человечества. Для аридных регионов, к которым относится Тунис, она особенно значима. При проведении гидрогеологических поисково-разведочных работ, направленных на выявление и характеристики подземных вод, в комплексе этих работ всегда используются методы электроразведки. При поисках трещино-жильных вод, представляющих наибольший интерес, первостепенной задачей является выявление и изучение зон трещиноватости, которые служат как водоприемники и водонакопители.

Традиционно эта задача решается путем измерения кажущегося удельного сопротивления рк в различных направлениях (азимутальные круговые измерения) различными установками электропрофилирования и электрозондирования. Эти методы основаны на проявлении электрической анизотропии.

Теоретической основой этой методики является задача об электрическом поле точечного источника тока в однородной анизотропной среде [Заборовский, 1943; Пылаев, 1948], в которой удельное электрическое сопротивление р< - по слоистости (трещиноватости) всегда меньше рп - вкрест слоистости (трещиноватости).

Если же на земной поверхности над анизотропными породами определить ръ установкой, ориентированной вкрест трещиноватости, то его значение оказывается меньше, чем при измерении установкой, ориентированной по направлению трещиноватости. Это несоответствие получило название "парадокса" анизотропии. Этот фактор и используется для выявления и характеристики зон анизотропии.

Первая часть данной работы посвящена изучению особенностей влияния анизотропии геологической среды на измеряемое в методе сопротивлений электрическое поле. В работе рассматривается вопрос выбора установки,

подходящей для исследования неоднородно-анизотропных сред и имеющей максимальную чувствительность к анизотропии. Дня исследования влияния анизотропии автором был проведен ряд экспериментальных исследований, над моделью анизотропной среды, выполненной в виде тонких проводящих пластин размещенных в воде, для установок: симметричной четырехэлектродной АМЬШ, несимметричной трехэлектродной АМЫВоо, квадратной, дипольной экваториальной и других.

По результатам анализа опубликованных работ и экспериментальных исследований автора необходимо указать, что:

- Сопротивление круговых диаграмм рк, полученных разными установками, показывает, что при изучении и использовании анизотропии предпочтение должно быть отдано установкам с ориентацией электродов не по одной прямой.

- Из сопоставления фигур, видно, что дипольная экваториальная установка с точки зрения чувствительности к анизотропии имеет несомненное преимущество перед квадратной установкой.

Для получения информации электроразведочнымн установками методом сопротивлений необходимо создание электрического поля в исследуемой среде и измерения его значения посредством специальных электродов заземлителей, что затрудняет выполнение работ в аридных районах.

Кроме того, определяемое значение рк методом сопротивлений сильно зависит от микро и макронеоднородности исследуемого участка. В случае однородного анизотропного полупространства наблюдаемые круговые диаграммы рк соответствуют теоретическому решению. В случае же реальной неоднородной среды, включающей и локальные зоны анизотропии и при наличии перекрывающих отложений, круговые диаграммы рк могут существенно отличаться от теоретических для однородной анизотропной среды вплоть до инверсии (парадокс

"парадокса" анизотропии), что может привести к ошибочным выводам.

Из теоретических положений известно, что плотность тока преимущественно концентрируется по тангенциальному направлению слоистости (трещиноватости) и она однозначно связана с напряженностью магнитного поля, основание для выявления зон анизотропии на основе измерения магнитного поля.

Вторая часть работы посвящена изучению особенностей влияния анизотропии геологической среды на характер магнитных полей электрических токов. Для решения этой задачи был проведен ряд экспериментальных исследований. Насколько мне известно, подобные опыты не проводились в сколько-нибудь значительном объеме, и о возможностях использования переменных токов можно говорить лишь на основании соображений общего порядка.

В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:

1) Изучение особенностей влияния анизотропии на значения напряженностей магнитного поля.

2) Разработка и программная реализация теоретического подхода к решению этой задачи.

Цель работы: Повышение эффективности электроразведки при выделении трещиноватых зон на территориях, неблагоприятных для устройства заземления.

Получены новые научные результаты:

• Получена детальная информация об эффективности индуктивных методов при проявлении анизотропии и о больших перспективах методов переменного тока при выявлении трещиноватых зон.

« В отличии от полярных диаграмм рк, в полярных диаграммах горизонтальной составляющей магнитного поля Нх не отмечается парадокс анизотропии.

• Инверсия фигур исключается в индуктивных методах.

• Во всех случаях зоны анизотропии однозначно определяются по характеру круговой диаграммы.

• При ознакомлении с результатами модельных исследований, можно с уверенностью сказать, что общий характер круговых диаграмм, несмотря на неоднородность, хорошо согласуется с теоретическими расчетами.

Электроразведка переменным током может успешно применяться для выявления анизотропных сред. Наиболее эффективно применение этого метода в пустынных и засушливых районах, где высокое удельное сопротивление верхних слоев грунта затрудняет проведение обычной электроразведки.

Неровности рельефа, а также неоднородности геологического разреза по простиранию сильно затрудняющие, а зачастую делающие невозможным применение электроразведки по схеме ВЭЗ, не мешают проведению индуктивных методов электроразведки.

Апробация работы: Основные результаты работы и ее отдельные положения докладывались и обсуждались на научных конференциях молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 1996, 1997) и опубликованы в двух сборниках тезисов.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 25 наименований. Основная часть работы содержит 112 страниц текста, 29 рисунков и 10 таблиц.

Содержание работы:

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, представлены основные научные результаты.

В первой главе в полном объеме описаны геологические и гидрогеологические условия рассматриваемой части

Туниса, показана важность изучения анизотропных свойств -основного трещинного типа - коллекторов подземных вод.

Во второй главе проведен анализ опубликованных работ, посвященных вопросам изучения анизотропии электрических свойств среды, применения методов электроразведки постоянным током для исследования анизотропных пород, исследования возможностей существующих методов по изучению анизотропных сред.

В данной главе использованы результаты лабораторных физических исследований кажущегося удельного сопротивления под различными азимутами над моделями анизотропных трещиноватых коллекторов. Полученные данные о преимуществах дипольных экваториальных установок для определения направления трещиноватости.

Однако, показаны и общие ограничения методов сопротивления на постоянном токе - влияние неоднородности сопротивления пород. Например, наличие высокоомного перекрывающего слоя (что характерно для аридных районов) может привести к изменению формы круговых диаграмм, вплоть до их инверсии. Это при принятой методике интерпретации может привести к ошибочному определению простирания трещиноватости пород.

Для преодоления указанной трудности автор в третьей главе предлагает использовать индуктивные методы электроразведки. Это позволяет сразу преодолеть две трудности:

1) избавиться от проблемы заземления электродов в аридной зоне;

2) получить однозначное соответствие круговых диаграмм напряженности магнитного поля и направления трещиноватости пород.

Возможность использования переменного тока для решения задачи показана достаточным объемом Лабораторного физического моделирования и подтверждена теоретическими расчетами.

В заключении содержатся краткие выводы по теме диссертации.

Работа по диссертации выполнена на кафедре геофизических и геохимических методов поисков и разведки СПб! ТИ под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора В.Х.Захарова, которому автор выражает свою искреннюю благодарность. Большую помощь при проведении работы и обсуждение вопросов оказали проф. О.Ф.Путиков, А.А.Молчанов, доц. К.М.Ермохин, К.В.Титов, лаборант И.Б.Тимохин и др. Всем им автор бесконечно признателен.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

Первое защищаемое положение:

При выявлении характеристик зон анизотропии (трещиноватости) из электроразведочных методов сопротивления наибольшей информативностью обладает дипольиая экваториальная установка.

Для изучения анизотропии горных пород с помощью кругового профилирования можно использовать любые установки метода сопротивлений. Однако хотелось бы добиться сочетания высокой производительности и помехоустойчивости, информативности и устойчивости к воздействию помех.

Для этой цели автором был проведен ряд экспериментальных исследований над моделью анизотропной среды для ряда установок: симметричной установкой Шлюмберже, установкой Веннера, трехэлектродной установкой АМЫВоо, установкой срединного градиента, установкой Триполь, квадратной установкой, дипольной экваториальной установкой, дипольной осевой установкой и др.

Измерения производились на частоте 4.8Гц с аппаратурой АНЧ.З. Типичный пример результатов наблюдений йрейставлен на рис. 1., где приводятся кривые профилирования и полная полярная диаграмма. Основные

результаты наблюдений представлены на рис. 2. Поскольку диаграммы обладают симметрией, для сокращения объема чертежей на рисунках представлены лишь части диаграмм, расположенных в первой четверти плоскости.

Общим для рассмотренных выше установок является вытянутость фигур рк вкрест простирания пластин модели. (Кроме для четырехэлектродной установки (второе защищаемое положение)).

Воспользуемся вытянутостью фигур рк как параметром, характеризующим влияние анизотропии. Вытянутость фигур рк может быть охарактеризована отношением осей полярных диаграмм, одна из которых (а) берется в направлении и (Ь) вкрест простирания пластин (рис. 1(6)). Отношение осей для исследованной модели и для разных установок приводится в таблице.

Известно, что отношение осей эллипса в случае анизотропных сред представляет величину, равную (при вертикальном положении плоскости анизотропии) или меньшую коэффициента анизотропии X.

Сопоставление круговых диаграмм, полученных выше указанными методами, и данные приведенные в таблице, показывают, что при изучении и использовании анизотропии предпочтение должно быть отдано дипольной экваториальной установке.

ТАБЛИЦА

Тип установки метода сопротивлений к = — Коэф. ' (Ь) * расширения

Симметричная установка Шпюмберже Кр=0.3

Осевая дипольная установка Кр=1.4

Т - установка Кр=3

АММЗоо Кр=2.64

Квадратная установка Кр=1.42

Дипольная экваториальная установка Кр=45

(ДЭП)

а) Кривые профилирования

Рис.1. Результаты экспериментальных наблюдений для квадратной установки

-а- Симметричная установка

А МЫ В

-Ь-Дипольная осевая установка

А В

О'

О 5 10 15

\ О Б 10 15 СМ

1^\|||11ИП1!. с? о <§> &

-с- Дипольная экваториальная установка

0 5 15 25 СМ >

;__90*

-5 0 5 10 15 СМ 5 0 5 «

90*

см

4

90* * / / 0* 90*

СМ -5 0 5 10 см -1 5-Ю-5 С 5 СМ

Рис.2. Основные результаты экспериментальных исследований. - Полярные диаграммы р, для разных установок

Второе защищаемое положение:

Для всех установок электроразведки методами сопротивлений отмечается:

а) сложность проведения работ в условиях Туниса из-за нестабильных и высоких значении переходных сопротивлений заземлителей;

б) направление простирания зон трещиноватости неоднозначно определяется методами сопротивлений в зависимости от мощности и характеристики перекрывающих их пород (инверсия фигур), что может привести к существенно ошибочным выводам.

Геофизические методы широко используются для решения самых разных геологических задач, среди которых одной из важнейших является решение гидрогеологических задач связанное с поисками вод. Среди них наибольший интерес представляют трещино-жильные воды.

Особенно остро эта задача стоит в аридных странах. В ряд этих стран попадает и Тунис.

Территория Туниса занимает более 160 т.кв.км. Около 40% этой площади находится в зоне засушливых степей и пустынь. Здесь климат субаридный. Для него характерны значительные суточные до 20° и годовые до 45° - колебания температуры, малое количество осадков при интенсивном испарении. В южной части страны годовое количество осадков колеблется от 0-50 мм до 150 мм.

На пополнение запасов подземных вод и поверхностных водоемов и водотоков в южной части страны идут в основном зимние осадки, которые составляют около половины их годового количества. Почти вся атмосферная влага, выпадающая в теплый период года, испаряется. Такие климатические условия Туниса обуславливают резкий дефицит влаги.

При проведении гидрологических поисково-разведочных работ, направленных на выявление и характеристики подземных вод, в комплексе этих работ всегда используются геофизические методы электроразведки. При поисках

трещино-жильных вод, представляющих наибольший интерес, первостепенной задачей является выявление и изучение зон трещиноватости, которые служат как водоприемники и водонакопители. Традиционно эта задача решается электроразведкой методов сопротивлений, основанной на создании электрического поля в исследуемой среде и измерении его значения посредством специальных электродов заземлений.

Однако возможность применения в аридных регионах электроразведки на постоянном токе сильно ограничены.

При выполнении электроразведочных работ в аридных районах с плохо проводящим поверхностным слоем (сухие пески) сопротивление заземлений оказывается настолько большим, что становится затруднительным создание интенсивного электрического поля, а также его измерения.

Методы сопротивлений относятся к числу наиболее широко применяемых методов электроразведки. Их сущность заключается в изучении геоэлектрического разреза при помощи постоянных электрических полей, создаваемых в земле точечными или дипольными источниками.

Точечными или дипольными источниками поля служат два заземления А и В, через которые в землю пропускают постоянный ток силой I от какого либо источника. Постоянное поле, созданное таким образом, изучается при помощи измерительных заземлений М и К, подключенных к измерительному прибору.

Рассчитываемое кажущееся удельное сопротивление имеет следующий вид:

РГ-К^ 0)

Величина К определяется расстоянием между заземлениями установки и называется коэффициентом установки.

I - Сила тока в питающей линии.

Ди - Разность потенциалов.

Из формулы (1) следует, что рк не зависит от тока I, посылаемого в землю, так как изменение тока вызывает пропорциональное изменение разности потенциалов ЛИ Величина кажущегося удельного сопротивления зависит от строения геоэлектрического разреза, взаимного расположения заземлений в установке и ее положения на земной поверхности.

Таким образом, полученное измеренное значение рк

связано с изменениями Ли в интервале между

измерительными электродами МиИ, которое равно:

*зг т

Ш = —МЫ = Е-МЫ = ]рМИ (2)

дг

где Е - напряженность электрического поля, ) - плотность тока.

Отсюда видно, что измеряемое ЛИ в интервале МЫ связано с изменением и плотности тока j и удельного электрического сопротивления р в этом интервале. Значения

рк в анизотропных средах зависят от ориентировки линии разносов электродов относительно плоскости анизотропии среды. При наблюдении на дневной поверхности максимальные и минимальные значения рк получаются при ориентировке линии разносов соответственно по простиранию и вкрест простирания плоскости анизотропии среды. В соответствии с этим полярные диаграммы рк кругового зондирования имеют вид эллиптических фигур, вытянутых в направлении простирания плоскости анизотропии (трещиноватости, рассланцевания). Наличие вытянутости фигур рк принимается в качестве признака, указывающего на присутствие зоны нарушения, а направление вытянутости - в качестве указателя направления простирания трещины или плоскости рассланцевания.

Теория, положенная в основу метода кругового зондирования, является вполне строгой в применении к однородным анизотропным средам, и наблюдаемые круговые диаграммы рк соответствуют теоретическому решению. В

случае же реальной неоднородной среды, включающей и локальные зоны анизотропии, А11 будет зависеть и от анизотропии и неоднородности в интервале МЫ, экранных эффектов у токовых электродов, наличия и характеристики перекрывающих рыхлых отложений.

При этом диаграммы рк круговых измерений могут существенно отличаться от теоретических для однородной анизотропной среды вплоть до инверсии (направление вытянутости фигур рк меняется на 90° ), что может привести к ошибочным выводам.

При ознакомлении с результатами экспериментальных наблюдений выполненных автором диссертации приходится неизменно убеждаться в несоответствии их теоретическим положениям, на которых основывается метод.

Так на рис. 2.а. приведены результаты наблюдений над моделью анизотропной среды симметричной установкой АММЗ. Модель выполнена в виде тонких проводящих пластин утопленных в воде. Полученная круговая диаграмма рк, как видно, максимальное значение рк отмечается по направлению нормальному слоистости, а по слоистости -минимальное, т.е. рк > рк. Следуя теоретическому

решению для однородной анизотропной среды в этом случае можно было бы дать ошибочное заключение о направлении слоистости.

Попытки объяснить характер инверсии полярных диаграмм рк анизотропностью пород приводит к мало обоснованным и неправдоподобным построениям. К таковым, например, относится объяснение инверсии фигур рк изменением направления трещиноватости пород с глубиной. Некоторые считают, что инверсия фигур может быть целиком связана с неоднородностью пород.

Из анализа результатов модельных исследований можно прийти к выводу, что этот факт можно объяснить физически.

Решение для однородной анизотропной среды связано с граничными условиями и перераспределением плотности тока.

Действительно, для однородной анизотропной среды,

при

соотношение плотности тока — = = 8 у'п, что и объясняет

J п

парадокс электрической анизотропии. В случае неоднородной среды - наличие перекрывающих рыхлых отложений - в анизотропной зоне нормальная составляющая плотности тока не терпит разрыва. Тангенциальная же составляющая плотности тока ^ изменяется скачком соответственно значениям

1

пропластков формирующих анизотропную зону (у -

удельная электропроводность на границе раздела двух сред). И, поскольку перекрывающие рыхлые отложения имеют некоторое усредненное значение р в различных

направлениях, а плотность тока в перекрывающих рыхлых отложениях ]>(уменьшение плотности тока j в рыхлых отложениях вызвано оттягиванием тока из них в более проводящие пропластки анизотропной зоны) круговая диаграмма рк над зоной анизотропии инверсирует по сравнению с теоретической диаграммой для однородной анизотропной среды (рис. 3).

Таким образом неоднозначность решения уравнения (2), связано с его недостаточностью - два неизвестных ] и р,

которые определяют значение напряженности электрического поля Е в методах сопротивлений.

Перекрывающие отложения -Л-^

\

линии тока

/

Анизотропная среда

Рис. 3. Физическое объяснение инверсии фигур

- Нормальная составляющая плотности тока ^ - Тангенциальная составляющая плотности тока

Третье защищаемое положение:

Задача выявления характеристики анизотропных зон (трещинно-жильных вод) в условиях Туниса и в реальной неоднородной среде (наличие перекрывающих рыхлых отложений) эффективно решается индуктивными методами электроразведки, основанными на измерении магнитного поля Н токов концентрации.

Несмотря на большой срок, прошедший со времени первых работ, анизотропность горных пород и ее влияние на характер применяемых в электроразведке полей изучены слабо.

Анализируя проведенные электроразведочные работы на постоянном токе, нельзя не отметить ряд крупных недостатков, к которым, в первую очередь, необходимо отнести сложную зависимость электрических полей от неоднородности ( второе защищаемое положение).

Пожалуй, наибольшим упущением специалистов-электроразведчиков, связанных с изучением вопросов трещиноватости, является почти полное игнорирование возможностей использования переменных электромагнитных полей.

Для исследования влияния анизотропии на характер магнитных полей электрических токов, автором был проведен ряд экспериментальных исследований. Насколько мне известно, подобные опыты не проводились в сколько-нибудь значительном объеме, и о возможностях использования переменных токов можно говорить лишь на основании соображений общего порядка.

При ознакомлении с результатами экспериментальных исследований представленных в виде круговых диаграмм горизонтальной и вертикальной составляющих магнитного поля Н (рис. 4, 5) можно прийти к выводу, что значения напряженности магнитного поля Нх в анизотропных средах зависимости от ориентировки установки относительно плоскости анизотропии среды. Наличие вытянутости фигур Нх принимается в качестве признака, указывающего на

присутствие зоны нарушения, а направление вытянутости, в отличие от полярных диаграмм рк в качестве указателя направления вкрест простирания трещин.

Из теории электроразведки на постоянном токе электрический ток преимущественно растекается в направлении простирания анизотропной толщи, и согласно уравнениям Максвелла напряженность магнитного поля непосредственно связана с плотностью тока. Этим и объясняется поведение полярных диаграмм горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Нх.

Для проверки данных экспериментальных исследований была составлена компьютерная программа, с помощью которой были построены графики горизонтальной и вертикальной составляющих магнитного поля Нх и Нг и их полярные диаграммы представлены на рис. 6.

Полученные теоретически результаты полностью совпадают с результатами экспериментальных исследований.

Теоретически и экспериментально показано, что в аридных районах и при наличии перекрывающих рыхлых отложений значительно более эффективно решается задача на основе измерения магнитного поля связанного с избыточной плотностью тока по направлению слоистости.

В ходе работы было выполнено:

1. Изучение особенностей влияния анизотропии на значения напряженностей магнитного поля.

2. Разработка и программная реализация теоретического подхода к решению этой задачи.

В результате получена детальная информация об эффективности индуктивных методов при проявлении анизотропии и о больших перспективах методов переменного тока при выявлении трещиноватых зон.

В отличии от полярных диаграмм рк, в полярных диаграммах горизонтальной составляющей магнитного поля Нх не отмечается парадокс анизотропии.

Нх! Е-*'

г = 1см

£ &

г - расстояние между пластинами г = 1.5см

&

О

Н

О 5 10 15 20 СМ

Л

0°

Н>

О 10 см

Щ

0й

а ю см

К

'1

о

0е

0 10 СИ

К

0"

н

0 10 20 СМ 0°

0 ' 10 20см

К

н,

г = 2см

ш £

О5

Ю ' 20см

Нх

£ Л

О9

о 1а см

и Л О. С* О О2

0 СП а Л см

[ & Т. . 0й Нх) Л № 0а

-5 С III ■ ю III см с см

Рис.4. Полярные диаграммы горизонтальном составляющей Н.

ю о

г = 1см

НЕ «V

Л о;

-5 О 5 10 СМ

шшнш

Н;

^ £

0°

-5 0 5 10 см

Н4 X Л

0"

0 5 10 15 см

л .

о-

О 5 10 15 СМ

Н;

г = 1.5см

0°

-5 0 5 10 см

ол

,<5

Н;

. ^ сч

ни и &

-5 0 5 10 см

О'

О 5" 10 15 см

0°

»■ир

О 5 10 15 СМ

Н,

г = 2см

>— о 1 #

Р \ 0е

•5 0 5 10 см

н,

ф

0°

н,

-5 0 5 10 см

0°

£

>

^ ^ О ^5 10 15 СМ

ЧИЯ о-

□ 5 10 15

Рис. 5. Полярные диаграммы вертикальной составляющей Н.

ю

-20 -15 НО -5 0 5 10 15 20 СМ

Н

О 5 10 15 20 25 см

О 5 10 15 20 25 СМ

Нх

5*

0°

О 5 10 15 20 СМ

Рис.6. Теоретические кривые и полярные диаграммы горизонтальной составляющей Н.

ы

Инверсия фигур исключается в индуктивных методах.

Из рис. 4, 5 следует, что зоны анизотропии однозначно определяются по характеру круговой диаграммы Нх .

Важным достоинством индуктивных методов является то, что для них не требуется гальванического контакта с изучаемой средой. Благодаря этому индуктивные методы отличаются высокой производительностью и мобильностью.

ГЛАВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.В случае перекрытой зоны анизотропии круговые (азимутальные) диаграммы рк могут существенно отличаться от теоретических диаграмм для однородной анизотропной среды вплоть до инверсии, что приводит к ошибочной интерпретации.

2. Диаграммы р методов сопротивлений отражают в себе изменения и плотности тока j в интервале МИ и удельного сопротивления р между ними, что приводит к их

существенному искажению.

3.Инверсия фигур связана с оттягиванием тока из рыхлых отложений в более проводящие пропластки анизотропной зоны.

4.Впервые теоретически и экспериментально показано, что в аридных регионах и в реальной неоднородной среде (при наличии перекрывающих рыхлых отложений) значительно более эффективно решается задача на основе измерения магнитного поля.

5. Показано, что однозначно решается направление слоистости (трещиноватости) по круговым диаграммам напряженности магнитного поля Н.

Список опубликованных работ по теме диссертации

¡.Захаров В.Х., Лтифа Адель. Перспективы методов электроразведки на переменном токе при исследовании анизотропных горных пород применительно к условиям Туниса. Тезисы докладов ежегодной научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение", С.-Петербург, СПбГГИ, 1996, с. 5.

2.Лтифа Адель. Проявление анизотропии горных пород в электромагнитных полях. Тезисы докладов ежегодной научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение", С.-Петербург, СПбГГИ, 1997, с. 3.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата технических наук, Лтифа Адель, Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова (технический университет)

Л ТИФА Адель

ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ) ПРИ РЕШЕНИИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В УСЛОВИЯХ ТУНИСА

Специальность 04.00.12 Геофизические методы поисков и разведки месторождений

полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

\

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор в.Х.Захаров

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................................................................3

ГЛАВА I. ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ

УСЛОВИЯ ТУНИСА...................................................................................................................................7

1. Географическое положение и рельеф....................................................................................................10

2. Климат......................................................................................................................................................................................................Ю

2.1. Осадки............................................................................................................................................................................................10

2.2. Температура..................................... ................................................................................................11

2.3. Заморозки и град............................................................................................................................................................11

2.4. Ветры.....................................................................................................................................12

2.5 Эвапотранспирация....................................................................................................................................................12

3. Гидрология........................................................................................................................................................................................12

4. Ландшафты......................................................................................................................................................................................17

4.1 Растительность....................................................................................................................................................................17

4.2. Почва................................................................................................................................................................................................17

5. Геология................................................................................................................................................................................................20

5.1. Стратиграфия......................................................................................................................................................................20

6. Палеография..................................................................................................................................................................................37

7. Тектоника............................................................................................................................................................................................38

8. Основные результаты электрических зондирований....................................................44

8.1. Основные результаты зондирования квадратной установкой..............48

ГЛАВА II. АНАЛИЗ МЕТОДОВ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРИ

ВЫЯВЛЕНИИ ЗОНЫ АНИЗОТРОПИИ........................................................................49

1. Общие понятия об анизотропии электрических свойств

геологических сред................................................................................................................................................................49

стр.

2. Способы решений задач для анизотропных сред. Методика наблюдений при изучении анизотропии и неоднородностей........................52

2.1 .Выбор установки..............................................................................................................................................................56

3. Результаты экспериментальных исследований......................................................................65

4. Влияние неоднородности пород при изучении анизотропных зон методом сопротивлений..............................................................................................................................................75

ГЛАВА III. ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕРЕМЕННЫХ ТОКОВ

ПРИ ИЗУЧЕНИИ АНИЗОТРОПНОЙ СРЕДЫ....................................................79

1. Теоретические основы метода..........................................................................................................................79

1.1. Исследование магнитного поля линейного тока........................................................82

2. Результаты экспериментальных наблюдений..........................................................................83

3. Теоретическая часть..........................................................................................................................................................85

4. Определение параметров анизотропии методом индукции..............................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................................................................................107

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................................................................110

-3 -ВВЕДЕНИЕ

Проблема обеспечения водными ресурсами является важнейшей для человечества. Для аридных регионов, к которому относится Тунис, она особенно значима. При проведении гидрогеологических поисково-разведочных работ, направленных на выявление и характеристики подземных вод, в комплексе этих работ всегда используются методы электроразведки. При поисках трещино-жильных вод, представляющих наибольший интерес, первостепенной задачей является выявление и изучение зон трещиноватости, которые служат и как водоприемники и водонакопители.

Традиционно эта задача решается путем измерения кажущегося удельного сопротивления рк в различных направлениях (азимутальные

круговые измерения) различными установками электропрофилирования и электрозондирования. Эти методы основаны на проявлении электрической анизотропии.

Теоретической основой этой методики является задача об электрическом поле точечного источника в однородной анизотропной среде [Заборовский, 1943; Пылаев, 1948], в которой удельное электрическое сопротивление р - по

слоистости (трещиноватости) всегда меньше рп - вкрест слоистости

( трещиноватости).

Если же на земной поверхности над анизотропными породами определить рк установкой, ориентированной вкрест трещиноватости, то его значение

оказывается меньше, чем при измерении установкой, ориентированной по направлению трещиноватости. Это несоответствие получило название "парадокса" анизотропии. Этот фактор и используется для выявления и характеристики зон анизотропии.

Первая часть данной работы посвящена изучению особенностей влияния анизотропии геологической среды на измеряемое в методе сопротивлений электрическое поле. В работе рассматривается вопрос выбора установки,

подходящей для исследования неоднородно- анизотропных сред и имеющей максимальную чувствительность к анизотропии. Для исследования влияния анизотропии автором был проведен ряд экспериментальных исследований, над моделью анизотропной среды, выполненной в виде тонких проводящих пластин, размещенных в воде, для ряда установок: симметричной четырехэлектродной АМЫВ, дипольной осевой, трехэлктродной АММ, установки срединного градиента, квадратной установки, дипольной экваториальной, установки Триполь и других.

По результатам анализа опубликованных работ и экспериментальных исследований автора необходимо указать, что:

- Сопротивление круговых диаграмм рк, полученных разными

установками, показывает, что при изучении и использовании анизотропии предпочтение должно быть отдано установкам с ориентацией электродов не по одной прямой.

- Из сопоставления фигур, видно, что дипольная экваториальная установка с точки зрения чувствительности к анизотропии имеет несомненное преимущество перед квадратной установкой.

Для получения информации электроразведочными установками методом сопротивлений необходимо создание электрического поля в исследуемой среде и измерения его значения посредством специальных электродов заземлителей, что затрудняет выполнение работ в аридных районах.

Кроме того, определяемое значение рк методом сопротивлений сильно

зависит от микро и макронеоднородности исследуемого участка. В случае однородного анизотропного полупространства наблюдаемые круговые диаграммы рк соответствуют теоретическому решению. В случае же реальной

неоднородной среды, включающей и локальные зоны анизотропии и при наличии перекрывающих отложений, круговые диаграммы рк могут существенно отличаться от теоретических для однородной анизотропной среды

вплоть до инверсии ( парадокс "парадокса" анизотропии), что может привести к ошибочным выводам.

Из теоретических положений известно, что плотность тока преимущественно концентрируется по тангенциальному направлению слоистости (трещиноватости) и она однозначно связана с напряженностью магнитного поля, основание для выявления зон анизотропии на основе измерения магнитного поля.

Вторая часть работы посвящена изучению особенностей влияния анизотропии геологической среды на характер магнитных полей электрических токов. Для решения этой задачи был проведен ряд экспериментальных исследований. Насколько мне известно, подобные опыты не проводились в сколько-нибудь значительном объеме, и о возможностях использования переменных токов можно говорить лишь на основании соображений общего порядка.

В соответствии с этим в работе решались следующие задачи:

1) Изучение особенностей влияния анизотропии на значения напряженностей магнитного поля.

2) Разработка и программная реализация теоретического подхода к решению этой задачи.

Получены новые научные результаты:

1) Получена детальная информация об эффективности индуктивных методов при проявлении анизотропии и о больших перспективах методов переменного тока при выявлении трещиноватых зон.

• В отличии от полярных диаграмм рк, в полярных диаграммах

горизонтальной составляющей магнитного поля Нх не отмечается парадокс анизотропии.

• Инверсия фигур исключается в индуктивных методах.

• Во всех случаях зоны анизотропии однозначно определяются по характеру круговой диаграммы.

• При ознакомлении с результатами модельных исследований, можно с уверенностью сказать, что общий характер круговых диаграмм, несмотря на неоднородность, хорошо согласуется с теоретическими расчетами.

Электроразведка переменным током может успешно применяться для выявления анизотропных сред. Наиболее эффективно применение этого метода в пустынных и засушливых районах, где высокое удельное сопротивление верхних слоев грунта затрудняет проведение обычной электроразведки.

Неровности рельефа, а также неоднородности геологического разреза по простиранию, сильно затрудняющие, а зачастую делающие невозможным применение электроразведки по схеме ВЭЗ, не мешают проведению индуктивных методов электроразведки.

Основные защищаемые положения:

1. При выявлении характеристик зон анизотропии (трещиноватости) из электроразведочных методов сопротивления наибольшей информативностью обладает дипольная экваториальная установка.

2. Для всех установок электроразведки методами сопротивлений отмечается:

а) сложность проведения работ в условиях Туниса из-за нестабильных и высоких значений переходных сопротивлений заземлителей;

б) направление простирания зон трещиноватости неоднозначно определяется методами сопротивлений в зависимости от мощности и характеристики перекрывающих их пород (инверсия фигур), что может привести к существенно ошибочным выводам.

3. Задача выявления характеристики анизотропных зон (трещинно-жильных вод) в условиях Туниса и в реальной неоднородной среде (наличие перекрывающих рыхлых отложений) эффективно решается индуктивными методами электроразведки, основанными на измерении магнитного поля Н токов концентрации.

ГЛАВА1. ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТУНИСА

Территория Туниса занимает более 160 т.кв.км. Около 35% этой площади находится в зоне засушливых степей и пустынь. В Тунисе плювиометрия характеризуется нерегулярностью и недостаточностью. Это связано с расположением страны в регионе на стыке двух разных климатических систем, умеренного и тропического климата. Климат аридный. Для него характерны значительные суточные и годовые колебания температур. Сильные, постоянно дующие ветры приносят из расположенных на юге пустынь огромное количество солей, которые, отлагаясь, засолоняют почвы и поверхностные водоемы. В южной части страны годовое количество осадков колеблется от 0-50 мм до 150 мм. На пополнение запасов подземных вод и поверхностных водоемов и водотоков в засушливых районах идут в основном зимние осадки, которые составляют около половины их годового количества. Почти вся атмосферная влага, выпадающая в теплый период года испаряется. Такие климатические условия южной части Туниса обуславливают резкий дефицит влаги и засолонения поверхностных вод.

Подземные воды в большинстве случаев служат единственным источником водоснабжения на подавляющей части территории Туниса. Поверхностные источники водоснабжения в пределах Туниса крайне редки, поэтому возникает необходимость максимального использования подземных вод.

На большей части Туниса подземные воды отличаются пестротой минерализации и химического состава, различной глубинной залегания, а водовмещающие породы обладают неравномерной водоотдачей. Различие типов подземных вод обусловлено воздействием совокупности следующих природных факторов: климата, рельефа местности, структурно-тектонических и геологических условий и других.

Среди подземных вод развиты как грунтовые, так и артезианские воды. Грунтовые воды представлены преимущественно трещинными, реже пластовыми водами. Наиболее водообильные трещиноватые известняки, пористые песчаники.

По степени минерализации различают воды: Пресные (до 1 г/л), слабосолоноватые (1-3 г/л), солоноватые (3-5 г/л) и соленые (более 5 г/л).

Географическим объектом изучения был выбран Северогафский бассейн (рис.1).

[TABARKA

• IDOUGGA

nabeul hamm am et

bsousse

»onast1r

kairouan

el jem«

fSFAX

"mahres

¿AbcS

•kebili el hamma nouiel

а

Tie de djerba

douz

МАТМАТА •

Рис.1. Географическое положение объекта изучения

- 101. ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ И РЕЛЬЕФ

Северогафский бассейн расположен на стыке двух зон: зоны Центрального Туниса и зоны Южного Туниса. Это обширная структурная впадина мио-плио-четвертичного периода, окруженная антикальным рельефом середины мелового периода ( рис.1 )

Северогафский бассейн ограничен: На востоке - хребтом Орбата, на севере - хребтами Гусса, Суиния и Сиди Аиш, на юго-западе - хребтом Дже Бен Юнее, на западе границей Алжира, на юге Гафским тектоническим разрывом.

2. КЛИМАТ 2.1. Осадки

По данным метеостанции Гафсы, проводившей наблюдения в течении 41 года мы имеем следующие результаты: Среднегодовая норма осадков - 164мм Максимальное количество осадков - 353мм Минимальное количество осадков - 46,3мм Сезонные изменения количества осадков показаны в таблице 1.

Характеристики Осень Зима Весна Лето

Среднее кол-во 51.0 48.8 53.1 15,1

Макс, кол-во /мм/ 168.5 184.7 160.6 68.0

Миним. кол-во 0.0 0.5 8.8 0.0

Ежемесячные наблюдения за осадками с 1884 по 1978 годы позволяют нам иметь следующие сведения:

- месяц с наибольшим количеством осадков - март, затем декабрь и апрель;

- месяц с наименьшим количеством осадков - июль.

Однако необходимо заметить что, вышеизложенные данные относятся к метеостанции города Гафса и что среднемесячное количество осадков Сиди Бубукер и Сиди Аиш, расположенных в северной части бассейна, составляет 180мм.

2.2. Температура

На метеостанции города Гафса ведутся наблюдения за межсезонными изменениями температуры в регионе. Зарегистрирована максимальная температура. Она составляет 55° С и минимальная - 6 °С. Дневные колебания температуры могут достигать 15 °С.

В таблице 2 показана среднемесячная температура с метеостанции Гафсы.

ТАБЛИЦА 2

сент. окт. нояб. дек. янв. фев. март апр. май июнь июль авг.

Сред. 27.2 21.5 15.6 11.1 10.1 12.0 15.3 18.5 25.3 28.3 31.8 30.9 темп.

Сред. 21.4 16.1 11.1 6.8 5.8 7.3 10.0 12.1 17.1 21.6 23.9 24.3 мин.

Сред. 33.2 26.5 20.1 15.4 14.4 16.7 20.5 24.6 29.6 34.9 30.1 37.4 макс.

2.3. Заморозки и град Град в регионе явление не частое. Он бывает примерно 8 раз в год. Что касается заморозков, то они бывают примерно 22 дня в году.

- 122.4. Ветры

Наиболее сильные ветры - ветры северо-западного направления. Они бывают только осенью и зимой. Летом в регионе преобладают в основном сирроко, которые дуют примерно 19 дней в году. Это горячий засушливый для растений ветер. Его действие более благоприятно для южного склона, где растительность более адаптирована к засухе.

2.5. Эвапотраспирация

Потенциальная эвапотранспирация измеренная на метеостанции Гафсы составляет 1400 мм. Нижеследующая таблица показывает месячное распределение.

ТАБЛИЦА 3

месяц сент. окт. нояб. декаб. янв. фев. март апр. май июнь июль авг (мм) 138 111 70 48 48 70 97 121 155 160 190 180

3. ГИДРОЛОГИЯ Водные артерии.

Северогафский бассейн пересекают три пересыхающих русла: Уед ел Мелах, Уед Сиди Аиш, Уед ель Кебир. Слияние двух последних дают начало Уед Баиеш. (Рис. 2).

Уед Сиди Аиш.

Эта река берет свое начало от слияния О.Бу Хауа и Уед Хогоф. Ее водосборный бассейн составляет 1780 кв.км. В период осадков вода может подниматься до 400мм над уровнем северного и западного рельефов и опускаться на 200мм ниже уровня бассейна.

Среднее количество дождевых осадков, получаемых Сиди Аиш составляет 181,2мм. Только в 1969-70 годах сток реки составил 18.1м.

1 : 500 ООО

\

г. Гафса

— - - Границы изучаемого участка - Засохшие реки

Рис.2: Гидрологическ