Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка и применение аппаратурно-методического комплекса для геотермических исследований

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка и применение аппаратурно-методического комплекса для геотермических исследований"

На правах рукописи

КАЗАНЦЕВ Сергей Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ГЕОТЕРМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК 1998

Работа выполнена в Институте геофизики Сибирского Отделения Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

А.Д.Дучков

Официальные оппоненты: доктор технических наук В.И. Юшин

кандидат технических наук В.Н. Девяткин

Ведущая организация: Институт земной коры СО РАН

(г. Иркутск).

Защита состоится "^.."....^^.р^..........1998 г. в час.

на заседании диссертационного совета Д 002.50.06 при Объединенном институте геологии, геофизики и минералогии СО РАН,

в конференц-зале.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, пр-т Коптюга, 3 Факс: (3832)35-26-92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИГГиМ СО РАН

Автореферат разослан "

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Ю.А. Дашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объектом исследований настоящей работы являются вопросы разработки аппаратуры для геотермических работ на водоемах и создания методик их проведения, а также результаты применения этого аппаратурно-методического комплекса на примере Черного моря и Телецкого озера.

Актуальность темы. Глубинное внугриземное тепло, в большей степени радиогенное, определяет формирование, состояние и физические свойства вещества, слагающего недра Земли и обуславливает ее геологическое развитие. Основной информацией об энергетическом состоянии глубинных недр земли является тепловой поток, излучаемый путем теплопроводности через земную поверхность, поэтому разностороннее изучение этого потока в первую очередь и является предметом геотермических исследований.

Специфика измерений теплового потока на материках существенно удорожается необходимостью бурения для этого глубоких, более 100200 м, скважин или проходкой шахт. При этом на величину теплового потока влияют многочисленные искажающие технологические и природные факторы, которые бывает трудно учесть.

Дно океанов и других акваторий на глубинах более 300 -500 м обычно рассматривается исследователями как идеальная лаборатория для тепловых измерений где температура воды постоянна в течение всего года. Большая часть океанического дна покрыта мягкими осадочными отложениями, допускающими внедрение вертикальных термозондов, опускаемых на дно с борта научных судов. Наблюдения на акваториях можно проводить вдоль наперед намеченных профилей, комплексировать их с данными топографии, сейсмическим и магнитным профилированием.

Поэтому повсеместно методика изучения тепловых потоков через дно глубоких водоемов находится в стадии интенсивного развития.

Основной трудностью в накоплении материала и развития метода является отсутствие промышленных специализированных приборов для изучения теплового потока.

Исследования по созданию инструментальной базы для геотермических измерений на акваториях были начаты в ИГиГ СО АН СССР (сейчас ОИГГМ СО РАН) в связи с насущной необходимостью постановки геотермических работ в глубоких озерах Сибири, а отсутствие промышленной аппаратуры для таких работ, поставило задачу разработки комплекса аппаратуры для геотермических исследований на акваториях, а так же совершенствования и развития методики ее применения.

Цель диссертационной работы:

- повышение информативности геотермических работ на водоемах за счет совершенствования аппаратурно-методического обеспечения этих исследований;

- экспериментальные работы по измерению вариаций теплового потока через дно водоемов для решения научных и прикладных задач.

Задачи исследования.

1. Разработать и создать аппаратурно-методический комплекс (двухконтурную термостатирующую установку для калибровки термодатчиков, многоканальный термограф, цифровой измеритель теплопроводности, цифровую автономную станцию для температурного мониторинга, цифровой автономный термограф, а также методику их применения в конкретных региональных условиях) для геотермических исследований на акваториях.

2. На основе комплексных геотермических работ определить параметры теплового поля на акватории Черного моря; установить, на примере Т елецкого озера, степень влияние климатической температурной волны на температурный режим донных осадков; оценить возможность определения глубинной составляющей теплового потока в таких условиях.

Аппаратура, методика исследований и фактический материал.

Основой диссертационной работы являются создание и совершенствование аппаратурно-методического комплекса для обеспечения геотермических исследований, а также экспериментальные материалы полевых геотермических работ: измерение теплопроводности донных осадков, температуры и геотермического градиента, расчеты теплового потока.

В качестве измерителя теплопроводности донных осадков использовался разработанный автором Полуавтоматический Цифровой Измеритель Теплопроводности «ПАЦИТ». Измерения температуры донных осадков и геотермического градиента в них, выполнялись различными модификациями автономных многоканальных термографов, режимные наблюдения Геотермическими Автономными Станциями «ГЕТАС» сконструированными автором. Надежность температурных измерений обеспечивалась контролем и периодическими градуировками датчиков и измерительной аппаратуры на специальном, разработанном и изготовленном автором, градуировочном стенде-термосгате.

Большая часть экспериментальных материалов по Черному морю и по Телецкому озеру получены непосредственно автором при проведении полевых геотермических работ. Результаты температурного

мониторинга дна Телецкого озера получены автором благодаря содействию и поддержке сотрудников Телецкой озерной.

Основные защищаемые научные результаты.

1. Разработан аппаратурно-методический геотермический комплекс состоящий из:

- двухконтурного термостата для градуировки термодатчиков;

- двух и трехканального термоградиентографа для измерения температуры и геотермического градиента на акваториях;

- полуавтоматического цифрового измерителя теплопроводности "ПАЦИТ";

- геотермической автономной цифровой станции для температурного мониторинга "ГЕТАС";

- восьмиканального погружного цифрового термографа для измерения температуры, геотермического градиента и теплопроводности донных осадков в условиях их естественного залегания;

- усовершенствована и адаптирована методика применения геотермической аппаратуры к конкретным объектам исследований: озеро Байкал, озеро Телецкое, Черное море.

2. На основе данных геотермических работ на Черном море, соискателем совместно с коллегами, построена карта теплового потока его дна. Определены закономерности формирования глубинного теплового потока через дно Черного моря.

Используя данные многолетнего температурного мониторинга и результаты геотермического зондирования, предложена методика оценки глубинной составляющей теплового потока через дно Телецкого озера и озер находящихся в подобных геологических и климатических условиях.

Научная повизна работы. Личный вклад.

1. В работе оригинально решены вопросы разработки и конструирования геотермической аппаратуры:

исходя из требований применения полупроводниковых термодатчиков, для их калибровки создана двухконтурная термостатирующая установка;

- разработаны, изготовлены и прошли полевые испытания ряд модификаций многоканальных термографов с аналоговым способом регистрации;

- исходя из требований температурного мониторинга, разработана режимная, автономная, цифровая геотермическая станция "ГЕТАС";

- используя решение задачи для бесконечного нагревателя, автором разработан и изготовлен полуавтоматический цифровой прибор "ПАЦИТ" для измерения теплопроводности слабосцементированных пород;

- разработан, изготовлен и прошел успешные полевые испытания многоканальный автономный цифровой термограф;

- адаптированы методики применения геотермической аппаратуры к конкретным объектам исследований: озеро Телецкое, Черное море.

2. Детально определены параметры теплового поля донных осадков Черного моря:

- используя автономный термограф, разработанный автором, определен характер распределения температуры, геотермического градиента и теплового потока;

- применяя разработанный автором прибор "ПАЦИТ" (совместно с А.Д. Дучковым) проведено массовое определение теплопроводности образцов донных осадков; сопоставляя значения влажности осадков с их теплопроводностью, установлена оригинальная их взаимозависимость для Черноморских отложений, выявлено отличие теплопроводности осадков, измеренной в условиях их естественного залегания "in situ", от результатов измерений теплопроводности в лабораторных условиях;

- интерпретируя распределение теплового потока и сейсмических данных о строении Черноморской впадины, соискателем, (совместно с коллегами), сделан вывод о природе области аномально низкого теплового потока. Она сформирована вследствие лавинного осадконакопления в плиоцен-четвертичное время.

3. На основе многолетних данных о температуре придонной воды, а также используя данные, проведенного соискателем совместно с работниками Телецкой озерной станции, двухгодичного мониторинга температуры осадков Телецкого озера, разработан метод оценки теплового потока в зоне климатических колебаний температуры способом геотемпературного зондирования.

Практическая значимость работы.

Надежность аппаратурно-методического комплекса определяется широким его внедрением в научных и производственных организациях. Разработанные автором аппаратура и методика использовались при выполнении геотермических работ в Байкальской опытно-методической сейсмологической экспедиции (акт внедрения от 06.08.90 г.), Комплексной сейсмологической экспедиции ИФЗ АН (акт внедрения от 12.12.88 г.), Новосибирской опытно-методической вибросейсмической экспедиции СО РАН (акт внедрения от09.11.89 г.), Иркутском Лимнологическом Институте СО РАН (акт внедрения от 15.08.90 г), Иркутском Институте Земной коры СО РАН (Байкальский прогностический полигон, акт внедрения от 09.11.89 г.), Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН (акт внедрения от 8.11.89 г.), Институте геофизики и инженерной сейсмологии АН Армении, Институте сейсмологии АН Казахстана (акт внедрения от 6.12.89 г.),

Комплексной геолого-геохимической экспедиции Казахского Главного координационно-геологического управления "Казгеология" (акт внедрения от 05.05.90 г.), Институте геологии и геофизики АН Узбекистана (акт внедрения от 17.01.90 г.).

Сведения о геотемпературных параметрах дна Черного моря, представленные в виде карт температуры поверхности дна и карт теплового потока, использовались при решении тектонических и геодинамических задач, могут быть применены при оценке перспектив нефтегазоносности, для оценки запасов и размещения месторождений геотермальных ресурсов.

Апробация работы и публикации.

Результаты исследований диссертанта докладывались на всесоюзном совещании "Применение геотермии в региональных и поисков разведочных исследованиях" (Свердловск, 1983); на III Тихоокеанской школе по морской геологии, геофизики и геохимии (Владивосток, 1987); на 1-ой Всесоюзной конференции по морской геофизике (Москва, 1987); на международных конференциях "Геология нефти и углеводородный потенциал (запасы) Черного моря" (Варна 1994) и "Геофизика твердой земли и природные катастрофы" (Новосибирск 1996).

По теме диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 2 авторских свидетельства.

Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН. Исследования проводились в соответствии с планом общесоюзной комплексной научно-технической проблемы 0.50.01 (1970-1988 г.г.).

Автор выражает глубокую благодарность Дучкову А.Д. за многочисленные полезные обсуждения различных аспектов работы и постоянное внимание. Автор также искренне признателен сотрудникам Института геофизики Соколовой JI.C., Белинскому В.В., Манштейну А.К. и другим, содействовавшим на разных этапах выполнения исследований.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, всего 124 страницы машинописного текста, 25 рисунков. Библиография содержит 85 наименований.

Содержание работы.

В первой главе приведен исторический обзор становления методики и аппаратуры для геотермических исследований на акваториях. Описаны различные типы температурных датчиков, приведен их сравнительный анализ. Рассмотрены вопросы калибровки датчиков и их применения.

Дан критический анализ современного состояния аппаратуры для измерения температуры, геотермического градиента и

теплопроводности. Сравниваются возможности автономных и кабельных зондов-термграфов.

Проанализированы существующие приборы и методики для измерения теплопроводности донных отложений. Приводится оценка приборной погрешности при измерении теплопроводности методом цилиндрического зонда постоянной мощности.

Дается краткая характеристика геотермического состояния и изученности донных осадков Черного моря и Телецкого озера. Подчеркивается, что параметры глубинного теплового потока через дно Телецкого озера сильно искажены климатическими температурными колебаниями.

Вторая глава посвящена описанию аппаратурного геотермического комплекса. В настоящее время тепловой поток как на суше, так и на водоемах определяется, как правило, раздельным методом: с помощью зонда измеряется геотермический градиент в донных осадках, затем определяется их теплопроводность. Тепловой поток вычисляется как произведение этих величин q =A.xg.

Ввиду отсутствия специализированных судов с кабельными лебедками была поставлена задача разработать автономную аппаратуру для геотермических работ на водоемах. Кроме того зонд должен регистрировать не менее двух геотермических параметров, а именно геотермический градиент в донных осадках и их температуру.

Исходя из этих требований был поэтапно разработан Комплекс аппаратуры для геотермических исследований в состав которого входят:

1) градуировочный стенд для калибровки термодатчиков; 2) несколько модификаций термографов как с аналоговым способом регистрации, так и с цифровым; 3) многоканальную автономную цифровую геотермическую станцию "ГЕТАС" для температурного мониторинга; 4) цифровой измеритель теплопроводности пород "ПАЦИТ"; 5) автономная аппаратура для измерения теплопроводности донных осадков in situ.

Для оперативного считывания информации были созданы контроллеры цифропечати и ЭВМ, позволяющие автоматически выводить накопленную геотермическую информацию. Разработаны методика применения этой аппаратуры в геотермической практике и программы предварительной обработки результатов.

Градуировочный стенд. В качестве температурных датчиков были выбраны полупроводниковые терморезисторы. С целью их прецизионного отбора и калибровки был создан специальный стенд. Он представляет собой совокупность холодильного агрегата, термостатов первой и второй ступеней, регулирующего и контролирующего узла и измерительной системы. Фреоновый холодильный агрегат со

специально сконструированным испарителем охлаждает термостатируемую жидкость в термостате первой ступени. Далее термостатированная жидкость подается в термостат второй ступени. Внутри термостата второй ступени устанавливаются калибруемые датчики. В качестве контрольного термометра применяется ртутный равноделенный термометр типа ТР-1 с ценой деления 0,0 ГС.

Стенд позволяет длительное время поддерживать в рабочем объеме наперед заданную температуру с точностью не хуже 0,0 ГС.

Термографы с аналоговым способом регистрации. На первом этапе было разработано несколько модификаций термографов с аналоговым способом регистрации. Они представляли собой автономные электронные самопишущие регистраторы, состоящие из двух основных частей: электронной, включающей термисторные датчики температуры и высокочувствительный усилитель постоянного тока, и механической, которая представляет собой малогабаритное автономное самопишущее устройство барабанного типа. Регистратор помещается в герметичный защитный контейнер, на нижней крышке которого укреплен штыревой зонд. Вдоль зонда укреплены датчики температуры. При работе зонд вывешивается на тросе в воде на глубине 200-г300 м, здесь в течение 15+20 минут он приходит в тепловое равновесие с окружающей средой, записывается линия нулевого градиента. Затем лебедка растормаживается и зонд в свободном падении достигает дна. При этом штырь с датчиками внедряется в донные осадки. После регистрации температурных параметров зонд поднимается на поверхность для считывания записанной информации.

Аналоговые термографы просты в изготовлении, надежены в работе, имеют высокую точность регистрации измеряемых параметров и возможность одновременного измерения двух важнейших геотермических параметров - геотермического градиента и температуры.

На одну из модификаций термографа было получено авторское свидетельство.

Дальнейшим шагом в совершенствовании погружных термографов было создание устройства с цифровым способом регистрации геотемпературной информации. Первой разработкой нового типа стала автономная станция "ГЕТАС".

Автономная цифровая геотермическая станция "ГЕТАС". Конструктивно цифровая станция "ГЕТАС" состоит из двух узлов, названньЕх условно "накопителем" и "индикатором" (смотри рис.1). Блок "накопителя" представляет собой электронное измерительное устройство, связанное с терморезисгорными датчиками температуры. "Накопитель" периодически производит опрос датчиков,

преобразование информации в двоичный код и запись её в кристаллическую память. Считывающее устройство - "индикатор" подсоединяется к "накопителю" только на время считывания записанной информации и при подготовке станции к очередному запуску.

Рис. 1.

Таймерное устройство "накопителя" периодически включает его на измерение и запись температуры в память устройства. Каждый термодатчик Л включается в свою схему линеаризации, которая индивидуально рассчитывается по данным калибровки. Сигнал от термодатчика через схему линеаризации и коммутатор поступает на аналого-цифровой преобразователь, преобразуется в 12-ти разрядный цифровой код и записывается в память. После этого схема управления подключает к АЦП следующий датчик. После измерения и запоминания сигнала с последнего датчика схема управления переводит "накопитель" в режим хранения информации, отключив от питания часть блоков. Через заданный интервал времени таймер вновь включит "накопитель" и цикл измерений повторяется.

"Индикатор" функционально состоит из цифрового коммутатора, адресного счетчика, блока управления и блока индикации. На индикаторном устройстве в десятичном коде отображается либо адрес на котором остановил свою работу "накопитель", либо состояние адресного счетчика "индикатора", либо содержимое памяти по тому или другому адресу. Отображение температурной информации производится в градусах Цельсия.

Усредненная по времени мощность потребления "накопителя" не превышает 5 мВт. В схеме станции предусмотрена возможность изменения числа датчиков, периодичности их опроса. Вместо датчиков температуры могут быть подсоединены и другие датчики, например датчики рН и давления.

Погрешность измерения температуры определяется в основном точностью градуировки и линеаризации термисторных датчиков и не превышает 0,03 °С.

Для автоматизации считывания и документирования информации накопленной станцией, были созданы контроллер цифропечатающего устройства и контроллер ЭВМ. "Контроллер" подключается к накопительному блоку вместо индикаторного и позволяет автоматически выводить информацию из памяти "накопителя" и распечатывать ее содержимое в виде таблицы или вводить её прямо в ЭВМ. При этом специальная программа обеспечивает прием, дешифрирование и хранение информации в виде текстового файла.

Для работ на водоемах на основе геотермической станции "ГЕТАС" был разработан Цифровой термограф. Конструктивно цифровой термограф, не отличается от станции "ГЕТАС". Только погружаемая часть располагается в более мощном герметичном защитном контейнере, а датчики температуры, укреплены на зонде термографа.

Часть каналов термографа измеряет температуру, а часть температурный градиент. Чувствительность погружного термографа по температуре ± 0,01°С, а по градиенту ± 0,001°С. При этом схема измерения температуры не отличается от аналогичной схемы режимной станции "ГЕТАС". Для измерения градиента необходимо включение в мост специально подобранных в пару датчиков. Их чувствительность по температуре должна отличаться не более, чем на 1%.

Методика работы с цифровым термографом не отличается от методов работы с аналоговыми погружными регистраторами.

Исходя из требований большей оперативности и точности измерений теплопроводности осадков был разработан и изготовлен Полуавтоматический Цифровой Измеритель Теплопроводности "ПАЦИТ". реализующий метод игольчатого зонда постоянной мощности. Прибор состоит из цилиндрического датчика и измерительного блока. Датчик представляет собой стальную иглу длиной 70 и диаметром 2 мм, внутри которой размещается нагреватель и датчик температуры. Для фиксированных времен 11 и выражение для теплопроводности имеет вид:

Л = р/1х {42/',)/4т• (т2 - г,)} = к/ат

где К - постоянная, определяемая удельной мощностью нагревателя и отношением времен измерений температуры зонда.

"ПАЦИТ" производит автоматическое измерение температур зонда в фиксированные моменты времени ^ =1 минуту и \г -2 минуты после включения нагревателя и вычисляет величину разности этих температур

(T2-Ti)=AT. Эта величина N=AT выводится на индикаторы измерительного блока. Тогда теплопроводность X определяется как Х=К / N, где К - константа прибора, N - показание индикатора.

Относительная приборная погрешность определения коэффициента теплопроводности прибором "ПАЦИТ" не превышает 344%; диапазон измеряемых значений X от 0,5 до 3 [Вт/м°К]; рабочий диапазон температур измеряемого образца 10-ь30°С; время измерения 2 минуты; питание 12 вольт.

Прибором "ПАЦИТ" было проведено всего более 3000 измерений теплопроводности различных образцов как донных осадков, так и других слабосцементированных пород. Прибор прост, надежен, хорошо зарекомендовал себя в лабораторных и полевых условиях.

Для измерения теплопроводности донных осадков "in situ" был доработан цифровой термограф, разработаны методика работ и средства обработки полученных результатов. В одной из трубок зонда термографа размещаются датчики температуры и линейные нагреватели. Включение нагревателя после внедрения зонда в осадки обеспечивается специальным инерционным контактором. При работе с таким термографом необходимо, чтобы зонд находился в осадках не менее 8-10 минут.

При большой плотности осадков и частичном внедрении зонда измерение теплопроводности "in situ" может служить дополнительным индикатором величины заглубления зонда в донные осадки.

В третьей главе приведены некоторые результаты применения разработанного соискателем и описанного выше аппаратурно-методического комплекса на двух различных объектах: Черном море и Теленком озере.

Результаты работ на Черном море. Всего было выполнено свыше 170 измерений температуры дна, более 200 определений геотермического градиента и теплового потока, более 1500 определений теплопроводности осадков. В результате работ почти вдвое улучшилась геотермическая изученность акватории Черного моря.

Рассмотрим вначале характер изменения геотермических параметров осадков в зависимости от глубины моря. Существенные вариации всех геотемпературных параметров присущи только отложениям шельфа (до глубин 150-200 м). Глубже средние величины сохраняются практически постоянными. Теплопроводность составляет 0,9-0,95 Вт/м-К, средняя температура осадков - 9,2°С, геотермический градиент и тепловой поток - 40 мК/м и 45 мВт/м2 соответственно.

Параллельное измерение теплопроводности X и влажности W позволило получить впервые для Черного моря экспериментальную

зависимость между этими параметрами: 1/Х = 0,57 + 0,01 IV/; где 1 в [Вт/м-К], аШв [%].

Таким образом шельф и верхняя часть континентального склона Черного моря до глубин 300-400 м характерезуется нестационарным температурным режимом и неблагоприятна для постановки геотермических работ с целью изучения распределения глубинного теплового потока.

Для характеристики изменений теплового потока акватории по площади построены карты геотермического градиента и теплового потока. В построении карт использовались все известные данные о тепловом потоке (смотри рис. 2).

Рис. 2. Карта теплового потока через дно западной части Черного моря.

Большей части моря присущ весьма низкий тепловой поток, в основном менее 50 мВт/м2. В пределах краевых частей моря известно несколько разных по площади районов, где поток достигает местами 90100 мВт/м . Это - обширный район высокого я в болгарском секторе моря и несколько меньших участков в других окраинных секторах.

Основная глубоководная часть моря характеризуется низким, менее 50 мВт/м2, тепловым потоком, причем выделяются обширные зоны аномально низкого я, менее 30 мВт/м2. Наиболее значительная такая "отрицательная" аномалия я простирается через всю акваторию с запада

на восток. Меньшая по площади "отрицательная" аномалия потока намечается в северной части моря, напротив Керченского пролива.

Для обсуждения возможной природы такого распределения теплового потока рассмотрим подробнее его вариации в западной Черноморской впадине. Характерной его чертой является низкий уровень значений теплового потока - менее 40 мВт/м2. Полоса низких значений ц пересекает всю впадину от северо-западного склона до южного, местами опускаясь ниже 20 мВт/м2. На западе Черного моря по прогибанию изобат 1000 и 2000 м хорошо оконтуривается дельта древнего Дуная. Расположение изолиний распространения толщи плиоцен-четвертичных осадков, изученных в общих чертах сейсмопрофилированием и вскрытых подводными скважинами, говорит о том, что мощные толщи этих сравнительно молодых осадков распространяются с северо-запада через всю впадину вплоть до южного склона.

Сопоставление распределения плотности теплового потока с рассмотренными данными о мощности плиоцен-четвертиных отложений показывает, что полоса низкого потока совпадает в общих чертах с контуром распространения этой толщи. Соответственно был сделан вывод о том, что низкий тепловой поток связан с сохраняющимся еще влиянием интенсивного осадконакопления, которое имело место в плиоцен-четвертичное время, непосредственно после резкого, на 1000 м, опускания Черноморской впадины, когда могли создаться условия для лавинной седиментации.

В окраинных частях впадины (болгарский и турецкий секторы, у берегов Крыма) осадконакопления, с такими скоростями не было и средний уровень потока, который здесь составляет 50-60 мВт/м2, соответствует глубинному значению этого параметра, характерному для данного блока земной коры.

Результаты геотермических исследований на Телецком озере. Уже предварительные работы на Телецком озере показали, что температурное поле придонного слоя осадков значительно искажено климатическими изменениями температуры воды. Это осложняет задачу оценки теплового потока по малоглубинным измерениям.

Геотермическое зондирование проводилось в течении ряда лет по всей акватории озера. Его результаты показали, что в верхнем интервале осадков в летнее время фиксируется отрицательное значение геотермического градиента, то есть уменьшение температуры осадков с глубиной. Глубина инверсии геотермического градиента, характерная для начала августа составляет порядка 140 см.

Температурный режим донных отложений в общем случае определяется глубинным тепловым потоком и вариациями температуры

придонной воды. В наиболее простом случае, когда донные осадки изотропны по тепловым свойствам и занимают полупространство, а температура над дном изменяется в течение года по синусоидальному закону, ^ может быть оценена по формуле:

{ I-\ /.

Тос(г,1)=Тпсхр+Я-2+А- ехр

л

к-Р

вш

Ъс_ Р

тс

к-Р

где Р = 1 год, А = 0,8°С, # - глубинный градиент, Тосс„ = 3,2°С [34], г -глубина, / - время (/ = 0 в конце июня), к = 3,2-10 м2/сек - средняя температуропроводность донных осадков.

Расчеты показывают, что наиболее значительные по амплитуде изменения Т^ наблюдаются в самом верхнем слое осадков, примерно до 2 м, а влияние климата распространяется до глубины порядка 6-7 м.

Для детального изучения характера изменения во времени температуры придонной воды и осадков озера был выполнен специальный мониторинг этих параметров. В донные осадки северной части озера был установлен зонд с датчиками температуры, связанными кабелем с берегом. Один из датчиков располагался на уровне дна, другой - в осадках, на глубине около 1 м ниже дна. Результаты этих измерений приведены на рис. 3.

Время

Рис. 3. Вариации придонных температур воды и осадков на Теленком озере вблизи пос. Яйлю, глубина 200 м.

Измерения производился ежедневно в течение двух лет. Разница этих температур определяет величину градиента в осадках в каждый

момент времени. По кривой изменения градиента видно, что для летних месяцев наблюдается отрицательный градиент, для зимних положительный.

Понятно, что в таких условиях прямыми измерениями глубинную составляющую градиента не определить. Поэтому на данном этапе предлагается два возможных способа оценки глубинного геотермического градиента и следовательно теплового потока.

1. Первое это метод прямого компьютерного сопоставления экспериментально полученных термограмм с расчетными для различных значений глубинного градиента. Такое сравнение показало, что наилучшим образом экспериментальные данные соответствуют расчетным кривым для §= 40-50 мК/м.

2. Второй метод - это оценка градиента по результатам температурного мониторинга дна. Рассчитываются средние значения температуры поверхности дна и температура в осадках на глубине 1 м. Градиент определяется как их разница. Такой расчет дает значение

Тв,ср=3,366°С и Т0ССр=Ъ,А 1°С я = Тосхр - Твхр = 0,044°С.

В заключение отметим, что по этим оценкам средний геотермический градиент Телецкого озера не должен существенно превышать 45-50 мК/м. При теплопроводности осадков порядка 1,1 Вт/(м-К) это значение £ соответствует тепловому потоку на уровне 50 мВт/м2. В пользу низкого уровня теплового потока в этом районе свидетельствует и отсутствие вокруг Телецкого озера проявлений термальных вод. Этот вывод подтверждается также и общей геотермической ситуацией, характерной для западной части Алтае-Саянкой области.

Заключение

Основным результатом работы является создание аппаратурно-методического комплекса для геотермических исследований, направленного на повышение достоверности, разрешающей способности и эффективности геотермических работ на водоемах, а также результаты применения этого комплекса на двух различных в геотермическом отношении объектах.

Созданная диссертантом оригинальная двухконтурная термостатирующая установка для градуировки полупроводниковых термодатчиков выгодно отличается от существующих: она позволяет длительное время поддерживать в рабочем объеме заданную температуру с точностью до 0,01 °С.

Разработанные модификации многоканальных термографов имеют преимущества в том, что для зондов с аналоговым способом регистрации, позволяют измерять температурный градиент в донных

осадках на двух глубинных уровнях и их температуру. На одну из модификаций аналогового термографа получено авторское свидетельство.

Разработанный диссертантом полуавтоматический цифровой измеритель теплопроводности "ПАЦИТ" успешно применяется для измерения теплопроводности слабосцементированных пород. В устройстве реализовано решение задачи для бесконечного нагревателя постоянной мощности. Аппаратурная погрешность измерения не превышает 5%. Этот прибор в отличие от других прост в обслуживании и надежен в работе; позволяет оперативно и в больших объемах проводить измерения теплопроводности рыхлых пород, в частности донных осадков водоемов.

Созданная автономная, цифровая, геотермическая станция "ГЕТАС" позволяет автоматически в автономном режиме фиксировать изменение температуры на восьми уровнях в скважине или в восьми заданных точках водоема, обеспечивает точность измерения температуры до 0,02+0,03 °С, позволяет подключать к нему вместо температурных датчиков, датчики давления, рН, электропроводности и другие. Станция "ГЕТАС" была выпушена малой серией на Опытном заводе СО РАН, внедрена в ряде организаций, на неё имеется авторское свидетельство.

Разработанный и изготовленный на базе станции "ГЕТАС" многоканальный автономный цифровой термограф выгодно отличается от подобных устройств: во-первых, он многоканальный, а значит позволяет измерять в толще воды и донных осадков до восьми геотемпературных либо других параметров, либо их комбинацию, чувствительность термографа по температуре составляет 0,01 °С, по градиенту 0,001 "С. Во-вторых термограф позволяет более детально определять вариации геотермического градиента по глубине в осадках, а также измерять тепловые свойства донных осадков как в лаборатории, так и в условиях их естественного залегания - "in situ".

Усовершенствованная и адаптированная к конкретным объектам исследований (Черное море и Телецкое озеро) методика отличается применением как точечного зондирования, так и данных мониторинга; использованием многоканальной цифровой аппаратуры; измерением тепловых свойств донных осадков как в лаборатории, так и в условиях их естественного залегания - "in situ".

Разработанный соискателем аппаратурно-методический комплекс позволил детально определить параметры теплового поля донных осадков Черного моря: характер распределения температуры, геотермического градиента и теплового потока, как по глубине в осадках, так и по площади простирания; прибором "ПАЦИТ" проведено массовое определение теплопроводности образцов донных осадков; по

парным измерениям теплопроводности и влажности осадков, установлена оригинальная их взаимозависимость для Черноморских отложений; установлено, что теплопроводность осадков, измеренная в условиях их естественного залегания отличается от результатов измерений теплопроводности в лабораторных условиях на борту судна.

Данные геотермических работ на Черном море послужили основой для построения наиболее полной карты теплового потока его дна; позволили определить закономерности формирования глубинного теплового потока дна Черного моря; сделать вывод, что область аномально низкого теплового потока в пределах Черноморской впадины обусловлена влиянием лавинного осадконакопления в плиоцен-четвертичное время.

Анализ многолетних температурных данных придонной воды, длительного мониторинга температуры осадков Телецкого озера, и результатов геотемпературного зондирования позволил разработать методику оценки глубинной составляющей теплового потока дна Телецкого озера и озер, находящихся в подобных геологических и климатических условиях. Сформулированные рекомендации по проведению геотермических работ в водоемах подобного типа отличаются учётом всей имеющиеся по данному объекту температурной, мете- и гидрологической информации.

Разработанные автором аппаратура и методики использовались при выполнении геотермических работ в Байкальской опытно-методической сейсмологической экспедиции, Институте вулканологии ДВО РАН, Институте мерзлотоведения СО РАН, Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН, Институте геофизики и инженерной сейсмологии АН Армении, Институте сейсмологии АН Казахстана, Институте геологии и геофизики АН Узбекистана.

Несомненно, совершенствование аппаратурных средств и методик геотермических исследований может быть продолжено по многим аспектам. Во-первых, необходимо более детальное измерение теплопроводности осадков, имеющих слоистую структуру. Вторым, не менее важным аспектом, является дальнейшее увеличение многоканальное™ аппаратуры с целью получения наиболее приближенной к реальности кривой геотермического градиента в слоистых осадках, находящихся в зоне воздействия климатической температурной волны.

На наш взгляд, перспективным является внедрение многоуровневого мониторинга как придонной воды, так и донных осадков. Применение ультразвукового канала связи позволит получать и контролировать результаты геотермического зондирования в режиме реального времени. Далеко не полностью решены вопросы контроля глубины внедрения

термозондов в донные осадки, необходима разработка более совершенных специализированных устройств.

В методическом плане, по нашему мнению, наиболее перспективной является задача комплексной интерпретации данных современного геотермического зондирования, сведений аппаратурного температурного мониторинга и всей имеющиеся метео- и гидрологической температурной информации.

Основные работы опубликованные по теме диссертации

1. Казанцев С.А. Техника и методы измерений теплового потока через дно глубоких водоемов // Методология и методика геологических и геофизических исследований в Сибири. - Новосибирск. - 1975. - С. 2427.

2. Дучков А.Д., Казанцев С.А., Голубев В.А., Лысак C.B., Хайковский Э.С. Тепловой поток в пределах озера Байкал // Геология и геофизика. - 1976.-N4.-С. 112-121.

3. Дучков А.Д., Казанцев С.А., Голубев В.А., Лысак C.B. Геотермические исследования на озере Байкал // Геология и геофизика. -1977.-N 6.-С. 126-130.

4. Голубев В.А., Голдырев Г.С., Дучков А.Д., Лысак C.B., Казанцев С.А. Теплопроводность и влажность донных отложений оз. Байкал // Геология и геофизика. - 1977. - N 8. - С. 103-108.

5. Дучков А.Д., Казанцев С.А., Велинский В.В. Тепловой поток оз. Байкал // Геология и геофизика. - 1979. - N 9. - С. 137-141.

6. Казанцев С.А. Измерение температуры илов автономными приборами // Методика и результаты геотермических исследований. -Новосибирск. - 1979. - С. 32-41.

7. Казанцев С.А. Тепловой режим донных отложений Телецкого озера // Методика и результаты геотермических исследований. -Новосибирск. • 1979. - С. 41-48.

8. Авт. свид. 1024858, заявка N 3345179 // Устройство для измерения геотемпературных параметров через дно водоемов. - Казанцев С.А., Дучков АД. Приоритет 30.07.81, зарегистрировано 22.02.83 г.

9. Казанцев С.А., Дучков А.Д. Автономная аппаратура для геотермических исследований в озерах // Применение геотермии в региональных и поисково-разведочных исследованиях. - Свердловск. -УНЦ АН СССР. - 1983. - С. 100-106.

10. Дучков А.Д., Казанцев С.А. Результаты изучения теплового потока через дно озер // Теоретические и экспериментальные исследования по геотермике морей и океанов. - М.: Наука. - 1984. - С. 104-113.

11. Дучков А.Д., Казанцев С.А. Тепловой поток через дно западной части Черного моря // Геология и геофизика. - 1985. - N 8. - С. 113-123.

12. Авт. свид. N 1148992 бюл. N 13 от 07.04.85 г. // Устройство для измерения температуры в скважинах. - Казанцев С.А., Дучков А.Д., Чазов С.И.

13. Тепловое поле недр Сибири // Дучков А.Д., Лысак C.B., Балобаев

B.Т...., Казанцев С.А. и др. - Новосибирск: Наука. - 1987. - 198 с.

14. Дучков А.Д., Казанцев С.А. Тепловой поток впадины Черного моря // Геофизические поля Атлантического океана / Отв. ред. Зверев

C.М., Болдырев С.А. - М.: МГК при Президиуме АН СССР. - 1988. - С. 121-136.

15. Дучков А.Д., Казанцев С.А. Автономная аппаратура для режимных измерений температуры // Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон. - М.: Наука. - 1993. - С. 365-372.