Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка методики изучения и учета влияния сезонных явлений и неоднородности криолитозоны на потенциальные поля при детальных геофизических исследованиях в условиях Якутии

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики изучения и учета влияния сезонных явлений и неоднородности криолитозоны на потенциальные поля при детальных геофизических исследованиях в условиях Якутии"

^ ■ /

'() ' ' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОРДЕНА ОКТЯБРЬКОИ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АКАДЕМИЯ НЕФТИ И ГАЗА им.И.М.Губкина

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ И УЧЕТА ВЛИЯНИИ СЕЗОННЫХ ЯВЛЕНИЙ И НЕОДНОРОДНОСТЕИ КРИОЛИТОЗОШ НА ппттгшпддлт.тл? ппто ттрм тп?т л 7гт.иитг ■тп/кчтитгимгт

ИССЛЕДОВАНИЯХ В УСЛОВИЯХ ЯКУТИИ

специальность 04.00.12 " Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых "

на правах рукописи УДК (550.331+550.838):551.34

ВАСИЛЬЕВ ПЕТР СТЕПАНОВИЧ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Государственной академии нефти и газа им.И.М.Губкина на кафедре полевой геофизики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор С.А.Серкеров

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.И.Аронов

кандидат технических наук А.М.Лобанов

Ведущая организация: Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР

Г"

Защита диссертации состоится " " 1991 г.

в ^ часов е ауд. на заседании специализированного

совета Д.053.27.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Государственной академии нефти и газа ш.И.М.Губкина (117917, Москеэ, ГСП-1, Ленинский проспект, 65).

С диссертацией мокно ознакомиться е библиотеке академии.

■ 01 ■ ко&ЬАЗ 1;

Автореферат разослан " ко АО АН 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доцент

Н.Н.Кривко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В последнее время интенсивно «овлекаются в хозяйственный оборот страны богатые природные ресурсы Севера, в том числе нефть и газ. Для освоения этих богатств целесообразно применять в первую очередь наиболее мобильные и наименее дорогие методы полевой геофизики - гравиразведку и магниторазведку. Геолого-экономическая эффективность применения этих методов зависит от совершенствования существующих и создания новых более надежных математических методов обработки и интерпретации наблюдаемых данных.

В районах развития многолетнемерзлых пород одним из путей повышения эффективности детальных высокоточных гравитационных и магнитных съемок при существующей аппаратуре является изучение и более надежный учет основных помех в геофизических полях этих районов - влияние сезонных явлений и неоднородностей криолитозоны, особенно в условиях Якутии.

Научной проблемой, решаемой в настоящей работе, является разработка методики изучения, подавления, учета и интерпретации этих помех. Она решается с использованием аппарата спектрального анализа аномалий, который благодаря простоте и универсальности широко применяется в современной геофизике.

Из-за своей актуальности рассматриваемая проблема входит в число основных научных направлений разведочных работ на нефть, газ и другие полезные ископаемые. Поэтому ее решение имеет важное значение для народного хозяйства страны.

Большой вклад в решение отдельных вопросов этой проблемы внесли В.И.Аронов, К.В.Гладкий, В.И.Глазнев, Ф.М.Гольцман, В.М.Гордин, Г.Б.Калинина, В.Н.Луговенко, А.А.Никитин, С.А.Серкеров, В.Н.Стра-¡сов, А.Л.Харитонов и другие. Из исследователей, внесших вклад в

изучении криолитозоны применением потенциальных полей следует отметить А.Н.Боголюбова, В.М.Калинина, В.И.Костицына, A.M.Лобанова, В.С.Матвеева. Б.А.Матушкина, В.С.Якупова, за рубежом W.J.Soott, J.A.Hunter, P.V.Sellmann И ряд других. _

Цель и задачи работы. Целью исследования явилась разработка ■ методики изучения и учета влияний сезонных явлений и неоднороднос-тей криолитозоны на потенциальные поля при детальных геофизических исследованиях.

В соответствии с поставленной целью автором решается ряд конкретных задач, основными из которых являются :

1. Исследование закономерности изменения плотности и магнитных свойств рыхлых горных пород при замерзании-оттаивании. Моделирование гравитационных и магнитных полей от основных типов неоднород-ностей криолитозоны.

2. Изучение и определение основных закономерностей сезонных и годовых вариаций потенциальных полей криолитозоны;

3. Разработка способов подавления и учета влияний неодно-родностей криолитозоны при высокоточных гравиметрических и магнитометрических работах.

4. Разработка способов интерпретации аномалий от основных типов неоднородностей криолитозоны.

5. Опробование разработанных способов на модельных и практических материалах гравитационных и магнитных полей в условиях развития многолетнемерзлых пород.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, обладающие научной новизной :

1. Разработаны теоретические и технологические схемы исследований процессов изменения плотности и намагниченности рыхлых горных пород при замерзании-оттаивании (теоретическое, физическое и

атрофизическое моделирования). Установлен факт изменения намагни-енности мерзлых горных пород.

2. Исследованием наблюденных аномалий и моделированием уста-овлены интенсивность и характер изменения гравитационных и маг-итных аномалий от основных типов неоднородностей криолитозоны, а акже их энергетических характеристик вдоль профиля и по площади.

3. Теоретически и экспериментально исследованы сезонные вариа-ии гравитационного и магнитного полей криолитозоны, обусловленные учением, осадкой грунтов и замерзанием-оттаиванием деятельного лоя. Установлены закономерности их изменения.

4. Предложен способ определения оптимальной глубины помещения атчиков магнитовариационных станций в скважину при режимных ста-ионарных работах на криолитозоне.

5. Разработаны способы подавления и учета влияний неоднороднос-зй криолитозоны при высокоточных гравимагнитометрических съемках.

6. Разработаны способы интерпретации, основанные на применении заимно-обратных функций нормированных значений гравитационных магнитных) аномалий.

Практическая ценность работы. Разработанная в диссертации ме-эдика изучения, подавления, учета и интерпретации аномалий от не-¡щородностей криолитозоны позволяет повысить эффективность приме-зния методов потенциальных полей в районах развития многолетне-зрзлых пород. Кроме того, учет сезонных и годовых вариаций грави-згнитного поля криолитозоны дает возможность повысить точность и эстоверность режимных обсерватории* наблюдений за вариациями градационного и магнитного полей, в частности для поискав предвест-жов землетрясений, и решения инженерно-геокриологических задач.

Внедрение. Результаты основных исследований использованы в ¡учно-исследовательской работе Проблемной научно-исследователь-

ской лаборатории no изучению предвестников землетрясений Якутского госуниверситета (ПНИЛЗ ЯГУ) по теме ГКНТ и АН СССР "Создать макет автоматизированной системы сбора, передачи и обрабарш геофизической информации для прогноза землетрясений, работающей при низких температурах до -50 градусов С и испытание ее на прогностических полигонах Южной Якутии" (# гос.регистрации 01840083798) и рекомендованы к применению при проведении высокоточных гравиметрических и магнитометрических съемок в ПГО "Якутскгеология".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на ii, iii региональных научно-практических конференциях по петрофизике (Красноярск, 1985, 1988), vi, Yll, viii республиканских конференциях молодых ученых и ,специалистов • ( Якутск, 1986, 1988, 1990), xii конференции молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири (Иркутск,1986), vii конференции научной молодежи по вопросам геокриологии (Якутск,1986), республиканской научно-технической конференции "Новые методы и направления при поисках и разведке полезных ископаемых" (Якутск, 1986), xiii конференции молодых ученых ИГиРГИ (Москва, 1990), научда-техничес-кой конференции "Построение ФГМ и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований" (Пермь, 1990), Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов (Красный Курган, 1991 ), научно - технических конференциях "Геологические исследования и охрана окружающей среды на Западном Урале" (Пермь, 1991) и "Совершенствование методов поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений" (Пермь, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Объеи и структура диссертации. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав и заключения. Текст содержит 13 таблиц, иллюстрации представлены 82 рисун-

ками. Указатель литературы содержит перечень 142 работ.

Работа выполнена на кафедре полевой геофизики ГАНГ им.И.М.Губкина. Автор выражает глубокую благодарность »за научное руководство работой проф.С.А.Серкерову, а также проф.А.К.Урупову и доц.О.В.Витвицкому за поддержку.

Автор искренне благодарен к.г.-м.н.Л.А.Защинскому и коллективу кафедры геофизических методов разведки ЯГУ за помощь в работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава X. В разделе 1.1 рассмотрены краткие характеристики мерзлых пород и криогенных процессов. Описаны условия образования, формы и размеры таких неоднородностей криолитозоны, как повтор-но-зкилышэ и пластовые льды, бугры пучения и талики различного генетического типа, мерзлые торфяники, которые являются причиной изменения и анизотропии физических, в т.ч. плотностных и магнитных, свойств тонкодисперсных многолетнемерзлых пород. Приведены таблицы изменения плотности и магнитной восприимчивости горных пород криолитозоны и изменения плотностей в зависимости от льдис-тости, исходя из которых даны физико-геокриологические предпосылки их влияния на гравимагнитометрию.

В разделе 1.2 рассмотрены задачи и проблемы, возникающие при применении методов потенциальных полей на криолитозоне - нестабильность1 нуль-пунктов приборов при режимных стационарных наблюдениях за. вариациями гравимагнитного поля; учет сезонных и годоецх вариаций полей; изучение динамики деятельного слоя и характера происходящих в нем криопроцессов в интересах геокриологии, а также охраны высокоширотных природных ландшафтов; геокривлогическое картирование, прогноз пучения и осадки грунтов, составление геокриологической карты; учет влияния неоднородностей криолитозоны, как помех, при высокоточных гравимагнитометрических съемках. При-

веден обзор работ по этим проблемам, исходя из которых выбраны решаемые автором задачи.

В разделе 1.3 подробно рассмотрены исследования по-примвнению гравимагнитометрии при изучении мерзлых толщ. Различными вопросами этой проблемы занимались А.Н.Боголюбов, В.М.Калинин, В.И.Костицын, А.М.Лобанов, В.С.Матвеев, Б.И.Матушкин, В.С.Якупов и др. Описаны результаты картирования повторно-жильных льдов, основные положения методики работ и приемов интерпретации результатов наблюдений при инженерно-геокриологической съемке и возможность выделения эффекта от залежей нефти и газа по данным гравиразвэдки при последовательном исключении эффектов от отдельных частей геологического разреза с учетом критериальной оценки на основе априорной информации по геологии, петрографии, сейсморазведке и гравиразведке.

В разделе 1.4 приведены результаты применения других геофизических методов (метод естественного электрического поля - ЕП, радиометрия) при выяснении характера происходящих криогенных процессов в деятельном слое криолитозоны. Опираясь на эти исследования, автор изучал влияние сезонного оттаивания на результаты съемки методом ЕП и гамма-поля на различных по петрофизическому составу геологических участках.

Глава 2. В разделе 2.1 дана региональная криолитологическая характеристика района исследований, включая геологическую и тектоническую историю развития. Уделено особое внимание учету мерзлот-но- криолитологических особенностей территории при хозяйственном освоении районов Крайнего Севера, в частности, при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых, г:

В разделе 2.2 рассматриваются исследования автора процессов изменения плотности и магнитных свойств рыхлых горных пород песчаного состава при промерзании-оттаивании (теоретическое, физичес-

кое, петрофизическое моделирования). Эти исследования проводились для изучения влияний различных сезонных явлений криолитозоны при высокоточных гравимагнитометрических работах. Разработанные теоретические модели демонстрируют механизм совместного изменения плотности и намагниченности рыхлых горных пород под действием факторов промерзания-оттаивания. Они созданы на основе качественных закономерностей физических, гидродинамических и магнитных явлений в твердом теле. Собственно, теоретическое моделирование отображает наглядно взаимосвязь этих закономерностей, которые исследуются на физических моделях. На теоретических моделях рассмотрен схематический срез некоторого объема горной породы, имеющей 4 принципиально разной текстуры, которые содержат воду или лед и свободное поровое пространство: 1) пора, полностью заполненная водой; 2)час-тично заполненная водой; 3)пора, расположенная у края поверхности сброса механических напряжений, граница отдельного блока, закрытая и открытая трещины; 4)поры, полностью и неполностью заполненные, соединенные капиллярами, широкими каналами и пустотами. Скелет горной породы предполагается способным сохранению 3 видов деформации: упругой, остаточной, связанной с закрытием микропор, и хрупкой, проявляющейся возникновением микро- и макротрещин, в которые возможно попадания влаги, расширяющейся при замерзании. Границы между различными текстурами показаны условно, гетерогеннность текстуры выражаются не наличием четких границ, а локальной неоднородностью концентрации этих 4-х теоретических видов элементов текстур. Действительная тонкая текстура гораздо сложнее, богаче разного рода нюансами, чем представленная. Однако, они не существенны в деле качественного предсказания взаимосвязанного изменения плотности и намагниченности горной породы. Исходя из теоретической модели, выдвигается наиболее вероятная причина изменения намагни-

ченности рыхлых горних пород при замерзании-оттаивании - перераспределение стенок Блоха, разделяющих домены с различной намагниченностью, дробления и слияния доменов, особенно на участках микрорастрескивания. Необходимо отметить, что элементарные циклы "замерзание-оттаивание" не следует представлять, как годичные потому, что в зонах "растепления" всегда есть некоторое количество жидкой воды и ход процессов замерзания элементов макроструктуры многолетней мерзлоты очень не равномерен. Этот процесс, аналогично геологическим, можно представить, как наложение болшого числа ритмических процессов, по разному протекающих в геологических блоках, отличающихся по типу структуры и текстуры. В каждом последующем 1-ритме можно выделить приращения величин: плотности ¿о=Жо1, модуля вектора остаточной намагниченности Д|1п1=2б|1п1..,

склонения и наклонения Д1=НЗ]^ вектора Из теоретичес-

кой модели следует, что единичное виртуальное изменение формируется под влиянием 4-х различных текстурных факторов, различно действующих на плотность и намагниченность. В этих условиях До, ДБ, Д1, ДГХд! рассматриваются, как случайные величины, формирующиеся под влиянием не менее 4-х факторов т.к. нюансы, которыми пренебрегли, могут сыграть роль пятого фактора. Закон распределения вероятности появления разных отношений Д|1п1/До, ДБ/До, Д1/До Судет сходным к нормальному распределению или одному из производных от него. В такого рода законах приближенно будет соблюдаться, характерная для нормального распределения, формула интенсивности композиций случайных величин: 1комп= 1ед, где I - интенсивность единичного процесса, 1комп- интенсивность композиции случайных величин. Исходя из этой формулы, подобран тип физической модели,, на которой проверялось предположение о возможности совместных, хотя не обяза-

тельно синхронных изменений плотности и намагниченности. Во-первых, величина п должна быть достаточно большой, во-вторых, интенсивности единичных вкладов должны быть одинаковыми или хотя бы формироваться под действием одного фактора. При формировании физической модели первое требование практически достигалось использованием, как основы мелкозернистого кварцполевошпатового песка. Второе требование - добавками в него порошка магнетита, который стирался в фарфоровой ступке до размеров 0.25 мм. Одновременно песок тщательно очищался от ферромагнитной фракции магнитом. На III этапе технологии эксперимента магнетитовый порошок и кварцевый песок просматривались под бинокулярной лупой на отсутствие зерен а-гематита, который является антиферромагнетиком и способен пьезомагнитному эффекту. На ГУ этапе очищенный песок и магнетитовый порошок взвешивались на аналитических весах с погрешностью -1 мг. Весовое процентное содержание магнетита в смеси рассчитывалось по массам навесок. Затем приготовлялась экспериментальная смесь на стекле перемешиванием песка и порошка магнетита методом "кольца и конуса" с квартованием (V этап). Таким образом достигалось равномерное распределение частиц магнетита относительно песка. Магнитная восприимчивость полученной смеси измерялась на каппаметре къу (VI этап). Для достижения других градаций концентрации (0.1,0.3, 0.7,0.9%) смесь разбавлялась чистым песком. Измерение величины и ориентировки 1п смеси проводилось на рок-генераторе ИОН-1 в немагнитных латунных кубиках при различной влажности (VII этап). Промерзание-оттаивание смеси происходило при одинаковой ориентировке контейнера к северу, чтобы исключить вязкое намагничивание магнитным полем Земли. Кроме того, отдельно определялось влияние на прибор "паразитной" магнитности пустых контейнеров, изучалось влияние статистического заряда контейнера, который был пренебрежи-

мо мал. Производилось сравнение остаточной намагниченности исход ной смеси со значением индукционной намагниченности, рассчитанным по данным индукционной каппаметрии на КХУ. При этом«остаточная намагниченность составляла не более, чем первые %-ты от индукционной намагниченности. Результаты эксперимента показывают, что I при промерзании-оттаивании меняется по модулю не менее, чем 10%, в пространстве (Б, I)- на 30-40 градусов, а отношение веса сухого образца к весу мерзлого - 10-20%. На основе рассмотренной техники опыта можно сказать, что для ферромагнитного начала» смеси мог иметь место только один механизм изменения намагниченности при внешних механических воздействиях - перераспределение стенок Блоха, дробление и слияние доменов, которые происходят при изменении поверхностного натяжения на границе зерен без нарушения их сплошности, а также при их раскалывании, что подтверждает описанные теоретические выводы. Этот вопрос детально изучен для магнетита многими исследователями в связи с природой сейсмомагнитного. эффекта по Стейси.

Для сравнения вариаций результатов исследований на^физических моделях с наблюдающимися значениями вектора остаточной намагниченности у реальных замерзающих-оттаивающих песков криолитозоны были использованы данные петромагнитных исследований на талых и мерзлых сыпучих образцах, отобранных на участках, где проводились сезонные наблюдения за вариациями гравитационного и магнитного полей, а также петромагнитные данные П.С.Минюка по покровной солифлюкции. Объемы сравниваемых груш данных были соизмеримы. Техника физического и петрофизического моделирований отличалась только тем, что отпадали операции, связанные с приготовлением смесей для моделей. Наиболее наглядно сходство и различие вышеуказанных данных показаны на стереографических проекциях, из которых следует, что физи-

ческое и петрофизическое моделирования отображают процессы, не отличимые друг от друга по своей физической природе, а коэффициент вариации дашшх при петрофизическом моделировании и потоковой солифлюкции соизмеримы.

Таким образом, установлены основные закономерности ковариации плотности и намагниченности рыхлых горных пород при замерзании-оттаивании.

В разделе 2.3 рассмотрены гравиметрические и геомагнитные модели от основных типов неоднородностей криолитозоны с-различными возможными геометрическими размерами: пластовых льдов, таликов различной типа и мерзлых торфяников в двухмерном случае, повторно-жильных льдов и бугров пучения различного генетического типа в трехмерном. На основе построенных модельных и некоторых практических аномалий оценены возможные пределы изменения гравитационного и магнитного полей для каздого типа неоднородностей, определены физические предпосылки учета влияния рассматриваемых неоднородностей при высокоточных гравимагнитных исследованиях, включая применение магниторазведки при геокриологическом картировании и районировании, главным образом для расчленения и картирования пород по составу и генезису.

Показаны, что рассмотренные неоднородности криолитозоны имеют относительно малые горизонтальные размеры, близко залегают к дневной поверхности и случайным образом расположены в горизонтальном положении. Поэтому их влияния на гравитационные и магнитные поля имеют вид локальных аномалий различного знака, но малой ширины. Амплитуда этих аномалий может достигать в среднем 0.1-0.2 мГал при избыточной плотности 100-900 кг/м , иногда - до 0.9 мГал в гравитационном поле, а в магнитном - 40 нТл. По своему внешнему виду они имеют вид геологических помех, но из-за того, что их достаточ-

но много и различным образом распределены по горизонтали аномалии от неоднородностей криолитозоны носят характер высокочастотных случайных помех. Следовательно, их не учет приводит к значительным погрешностям при интерпретации.

На реальном примере с неоднородностями криолитозоны показана необходимость дифференцированного подхода к вычислению поправки за промежуточный слой с учетом наличия в нем определенных типов неоднородностей. Она обычно вычисляется с постоянной плотностью и это приводит к значительным погрешностям. Например, изменения плотнос-

«а

ти промежуточного слоя может достигать 100 кг/м , которые приводят к ошибке определения аномалий в 0.2 мГал. Для определения истинного значения плотности промежуточного слоя необходимо знать формы и размеры неоднородностей. Эти их характеристики определяются по предложенным в главе 5 способами интерпретации.

Глава 3. В разделе 3.1 теоретически исследованы сезонные и годовые вариации гравитационного шля, обусловленные пучением и осадкой грунтов вследствие сезонного замерзания-оттаивания сезон-ноталого слоя. Используя данные инструментальных наблюдений С.П. Варламова за пучением и осадкой грунтов в полученных теоретических формулах, показано, что сезонные гравитационные вариации могут изменяться от -0.06 мГал до 0.21 мГал в зависимости от климатических, природно-ландшафтных, мерзлотно-гидрогеологических условий района и минералогического состава грунтов. Определены аналитические выражения, аппроксимирующие значения сезонных и годовых вариаций силы тяжести, связанных с пучением и осадкой грунтов для рассматриваемого района работ. Эти выражения можно использовать в виде формул, учитывающих при необходимости поправки за сезонные и годовые влияния пучения и осадки. Даны рекомендации по учету и устранению сезонных и годичных вариаций гравитационного поля.

которые особенно важны при режимных обсерваторных наблюдениях в районах дучинистых грунтов криолитозоны. Кроме того, на основе проведенных исследований установлена зависимость вариации силы тяжести от величин пучения и осадки грунтов, которая может быть использована при проектировании и строительстве инженерных сооружений. По графику этой зависимости можно определить .возможные величины пучения и осадки грунтов по изменению значений гравитационного поля.

В разделе 3.2 рассмотрены возможные сезонные вариации гравитационного и магнитного полей, обусловленные изменением геометрических размеров булгунняхов (многолетщк бугров пучения). Оценки гравиметрических и магнитометрических эффектов вследствие сезонных вариаций геометрических размеров неоднородностей криолитозоны имеет практическое значение при стационарных режимных наблюдениях и высокоточных детальных съемках. Среднее влияние Сулгунняха достигает 0.02 мГал в гравитационном поле, 3 нТл - в магнитном. При расчетах булгуннях аппроксимировался сплюснутым эллипсоидом вращения. Также даны теоретические оценки величины механических напряжений, которые могут возникать при замерзании деятельного слоя в текстуре рыхлой горной породы и способствовать пьезомагнитному эффекту в а-гематите, перераспределению стенок Блоха, слиянию и дроблению доменов.

В разделе 3.3 приведены результаты опытно-методических исследований сезонных вариаций гравитационного и магнитного полей в пределах пяти различных районов Якутии с различными глубинами сезонного оттаивания. В некоторых участках проводились высокоточные детальные сезонные съемки естественного электрического поля и гамма-поля с целью наблюдения за миграцией воды в сезонноталом слое. По всем участкам съемок были выполнены каппаметрические

исследования, убеждающие в том, что талой основой был немагнитный кварцполевошлатовый песок с небольшими примесями ферромагнитных минералов, отбирались образцы горных пород для петрофизических исследований. Иногда попутно решались рудно-поисковые задачи. Полевые геофизические исследования проводились с целью проверки результатов вышерассмотренных моделирований т.е. существования влияний на нестабильность показаний гравиметров и магнитометров сезонного замерзания-оттаивания деятельного слоя криолитозоны. Полевые наблюдения выполнялись автором в виде маршрутных, площадных и детализационных съемок, но во всех случаях они были рекогно-цировочными: большее внимание уделялось количестве повторных измерений в разные времена года в отличапцихся друг от друга микроландшафтах, чем детальности и охвату площадей. Наиболее детальные работы имели место на полигоне института мерзлотоведения СО АН СССР, где имелась возможность опираться на данные многолетних геокриологических и температурных наблюдений. Все виды съемок проводились с шагом не более 10 м приборами МПП-203, М-303 (среднеквадратичная погрешность съемки е<2 нТл), М-27 (е<4 нТл), АЭ-72 (е<1 мв), ГНУ-КС (е<0.04 мГал), СРП-68-01 (е<0.5 мкр/ч) на различных геологических участках: зоне дробления, золото-кварц-малосульфидных жилах, над таликом, малосульфидных зонах. По результатам всех повторных съемок построены планы-изолиний и графики по профилям. На повторных высокоточных магнитометрических съемках наблюдалась сезонная вариация магнитного поля от -15 нТл до 15 нТл, возможный механизм возникновения которой обсуждался выше. Наиболее интенсивные вариации регистрировались над зоной трещино-ватости и таликом. Такую петромагнитную ситуацию следует считать не благоприятной для применения микромагнитной съемки для картирования трещинной тектоники с использованием аппарата построения

роз-диаграмм ориентировки элементов изодинам. А созошше вариации естественного электрического поля ди0П и гамма-поля соответственно составляли 3-17 мв и 7-10 мкр/ч, что можно объяснить миграцией воды в деятельном слое т.е уход ее в раскрывшиеся после оттаивания и абляции поры, трещины и пустоты. Результаты повторных высокоточных гравиметрических съемок показывают, что сезонные • вариации также имеет место. Эти изменения, видимо, в какой то степени связаны с неустойчивостью грунта и неравномерным протеканием процессов замерзания-оттаивания деятельного слоя. В дальнейшем необходимо повторять такие наблюдения с применением более чувствительных приборов по специальной методике, обеспечивающей высокую точность.

Таким образом, при высокоточных гравимагнитометрических исследованиях, особенно при режимных стационарных наблюдениях на крио-литозоне необходимо учесть сезонные вариации полей. Для этого работы нужно проводить в одно и то же время года, в противном случае необходимо учитывать поправки за сезонные изменения полей, которые определяются из экспериментальных исследований в районе работ.

Кроме того, рассмотренный комплекс методов (микромагнитная съемка, радиометрия, метод ЕП) в силу их экономичности и производительности по отношению к другим геофизическим методам рекомендован для изучения динамики процесса сезонного оттаивания с целью прогнозирования криогенных явлений. Например, для предварительного освещения трасс, проектируемых линейных объектов на криолитозоне (железные дороги, линии электропередач, трубопроводы). Интерес к этому вопросу вполне закономерен, поскольку образование наледей может вести к деформации насыпей и железнодорожного полотна при выходе надмерзлотных вод на участках подрезки склонов при проложе-нии трассы дороги. Подобные изменения наблюдаются по БАМу и строящейся Амуро-Якутской магистрали.' Рациональная методика вышеуказан-

них исследований заключается в повторном проведении до начала строительства высокоточной съемки Лт по 5-7 параллельным профилям вдоль трассы с расстоянием между ними и точками измерения 5 м, сопровождаемой пешеходной гамма-съемкой. Они должны проводиться, как минимум двухкратно, с интервалами 1-1.5 месяца в начале и конце оттайки деятельного слоя в зависимости от ландшафтно-климатических условий района работ. На уже построенных линейных сооружениях также целесообразно периодически вести подобные работы в полосе отвода, желательно у границ зоны влияния насыпей, выемок, мостовых опор и т.п. на среду. В пределах выделенных микромагнитной съемкой участков линейных зон преимущественной ориентировки изодинам (изменений конфигураций роз-диаграмм) необходимо организовать детальные режимные наблюдения за механическими перемещениями грунта и миграцией воды, особенно при их совпадении с участками изменений гамма-поля.

В разделе 3.4 предложен способ определения оптимальной глубины помещения датчиков магнитовариационных станций (МВС) в скважину при режимных стационарных работах на криолитозоне. Эта задача решалась в связи с идеей термостатирования датчиков геофизических полей при режимных наблюдениях в скважинах, пройденных в многолет-немерзлых породах. Это облегчает создание аппаратуры для автоматизации и хранения геофизической информации т.к. изменение температуры в криолитозоне составляет -(2-3) градуса С, внешняя температура при этом может изменяться от -60' до +40"С. В связи с автоматизацией наблюдений на обсерваториях такая мера может быть очень полезной - аппаратура будет работать более устойчиво. Однако, при этом надо считаться с влиянием замерзания-оттаивания деятельного слоя на показания МВС. Исходя из теоретических основ скважинной магниторазведки, для расчета оптимальной глубины деятельный слой

принят за горизонтально простирающийся пласт с намагниченностью Д1, величина которой равна приращению намагниченности при замерзании-оттаивании. измеряемой экспериментально аналогичными методами, рассмотренными выше. При различных реальных параметрах Д1 и известных радиусах скважины построен график изменения глубины помещения датчиков в зависимости от мощности деятельного слоя.

Глава 4. В разделе 4.1 определены статистические характеристики (функции автокорреляции, энергетические спектры, радиусы автокорреляции, средние квадраты амплитуд) аномалий гравитационных и магнитных полей от основных типов неоднородностей криолитозоны при случайном их распределении вдоль профиля или по площади, причем как по модельным, так и практическим материалам. Получены аналитические выражения, аппроксимирующие нормированные функции автокорреляции и энергетические спектры этих аномалий. Из анализа энергетических характеристик неоднородностей криолитозоны установлены основные закономерности их изменения вдоль профиля и по площади.

В разделе 4.2 рассмотрены способы подавления и учета влияний неоднородностей криолитозоны при высокоточных гравимагнитометри-ческих съемках - пересчет аномалий на высоту и применение фильтров сглаживания. Применяя аппарат теории случайных функций, теоретически обоснована и найдена высота пересчета исходного поля, начиная с которой в суммарном поле на фоне случайных помех измерений пропадают помехи, обусловленные неоднородностями криолитозоны. В зависимости от размеров источников аномалий для различных типов неоднородностей криолитозоны рассчитаны пределы изменения высоты пересчета полей при различных шагах съемки. Полученные значения высоты пересчета аномалий могут быть использованы при обработке и интерпретации гравитационных и магнитных аномалий и при выборе высоты полетов аэромагнитных съемок. Результаты этих исследований оп-

робованы на практических и модельных примерах с нефтеносными структурами, которые подтверждают правильность теоретических выводов.

В разделе 4.3 исследованы результаты применения ^фильтров с прямоугольной формой частотной характеристики, Колмогорова-Винера, и комбинированного. Комбинированный фильтр сглаживания аномалий, составленный на основе фильтра Колмогорова-Винера и прямоугольного фильтра ( С.А.Серкеров). Левая часть частотной характеристики этого фильтра соответствует прямой, равной единице, без искажений пропускает низкочастотные составляющие аномалий, а правая часть подавляет случайные помехи по закону оптимальных фильтров выделения аномалий. Предложен новый вариант комбинированного фильтра. Результаты опробования рассмотренных фильтров на различных модельных и практических примерах показало, что лучше всего подавляет помехи, обусловленные различными типами неоднородностей криолито-зоны, в суммарном поле комбинированный фильтр. Поэтому этот фильтр принят за основу и рекомендован для.подавления помех от неоднородностей криолитозоны. Он опробован на большом количестве (более 25 вариантов) практических и модельных примеров при различных интен-сивностях помех. Для расчетов по всем рассмотренным фильтрам составлены программы на языке Фортран.

Глава 5. В разделе 5.1 рассмотрен спектральный способ интерпретации гравитационных аномалий от тел цилиндрической формы (С.А.Серкеров). Но полученными выражениями пользоваться достаточно трудно в связи с тем, что приходится решать трансцендентные уравнения, включающие функции е~Р2 и (рк). Поэтому построены соответствующие графики и номограммы, облегчающие применение указанных формул. Они опробованы на модельных и практических примерах, соответствующих повторно-жильным льдам.

В разделе 5.2 рассмотрены предложенные ранее (С.А.Серкеров)

спектральные способы интерпретации аномалий, основанные на применении значений нормированных корреляционных функций и энергетических спектров аномалий. Эти способы являются помехоустойчивыми, обладают высокой чувствительностью к форме тел и используют значения взаимно-обратных функций, но их реализация требует вычисления указанных энергетических характеристик аномалий. Рассмотренная методика интерпретации перенесена автором на исходные гравитационные и магнитные аномалии.

Дано описание разработанных новых способов интерпретации, чувствительных к форме тела, основанные на применении значений взаимно-обратных функций исходных гравитационных и магнитных аномалий. Если гравитационная или магнитная аномалия y=f(x) - прямая функция от х, то x=f(у) является взаимно-обратной. В данных способах применяется значения отношений о,,=х/х', где х'- взаимно-обратная функция горизонтальной производной первого порядка от 1[х). Разработанные способы являются двухмерными, ими можно пользоваться при интерпретации аномалий от неоднородностей криолитозоны, аппроксимируя их телами правильной формы, наиболее применяемыми на практике - бесконечная горизонтальная материальная линия или горизонтальный круговой цилиндр (магнитная однополюсная линия), бесконечная горизонтальная материальная полоса (горизонтальная заряженная полоса), бесконечная вертикальная материальная полоса (вертикальная заряженная полоса).

Разработаны новые способы интерпретации, основанные на применении эталонного заранее заданного тела. В качестве эталонного тела взято простейшее двухмерное тело - бесконечная горизонтальная материальная линия или цилиндр (однополюсная магнитная линия). Сущность способа заключается в том, что значения известной аномалии эталонного тела сравниваются со значениями измеренной интер-

- го -

претируемой аномалии. В этом случав также используются взаимно-обратные функции исходных аномалий в виде отношений ог=хп/19 и где х^и^ - значения взаимно-обратных функций нормированных аномалий от произвольного геологического объекта и эталонного тела, х^ и - то же самое для значений первой горизонтальной производной от исходных аномалий. При применении эталонного тела необходимо знать нормированные значения аномалий от него. Для их нахождения необходимо определить глубину залегания эталонного тела, которую можно определить независимо от формы тела?по известным спектральным способом. Разработанные способы являются чувствительными к форме тел и позволяют определить в первую очередь форму тел, затем и их параметры. Применение эталонного тела позволяет получать новые сведения и расширяет возможности интерпретации.

Описана методика интерцретации аномалий от пластового льда, основанная на применении своеобразной "сундукообразной" формы аномалии.

В разделе 5.3 даны примеры опробования разработанных способов на аномалиях силы тяжести от нефтеносных структур.

Основные результаты работы

1. Разработаны теоретические и технологические схемы исследований процессов изменения плотности и намагниченности рыхлых горных пород при замерзании-оттаивании.

2. Экспериментально исследованы процессы изменения плотности и намагниченности горных пород песчаного состава при промерзании-оттаивании ( физическое и петрофизическое моделирования ). Установлен факт изменения намагниченности мерзлых пород.

3. Определены возможные пределы и характер изменения вдоль профиля и по площади гравитационных и магнитных аномалий в зависимости от типов, геометрических размеров и геологических условий

залегания неоднородностей криолитозоны.

Показано, что для правильной интерпретации аномалий силы тяжести в районах развития многолетнемерзлых пород необходимо определить истинные значения плотности промежуточного слоя с учетом наличия в нем различных типов неоднородностей криолитозоны, формы и размеры которых определяются разработанными способами интерпретации.

4. Исследованы сезонные, годовые вариации гравитационного поля криолитозоны, связанные с пучением и осадкой грунтов. Рассчитаны аналитические выражения, аппроксимирующие эти вариашш, которые можно использовать в виде формул, учитывающих при необходимости поправки за сезонные и годовые вариации.

Определена зависимость вариации силы тяжести от величин пучения и осадки грунтов, которые могут быть использованы при проектировании и строительстве инженерных сооружений на криолитозоне.

Показана необходимость учета сезонных вариаций гравитационного и магнитного полей, обусловленных изменением геометрических размеров неоднородностей криолитозоны.

5. В результате экспериментальных исследований сезонных и годовых вариаций гравитационного и магнитного полей даны рекомендации для проведения высокоточной гравимагнитометрии на криолитозоне и изучения динамики процесса сезонного замерзания-оттаивания деятельногь слоя с целью прогнозирования криогенных явлений.

6. Предложен способ определения оптимальной глубины помещения датчиков магнитовариационных станций в скважину при режимных стационарных работах на криолитозоне.Определена зависимость изменения глубины помещения датчиков от мощности деятельного слож

7. Определены статистические характеристики (функции автокорреляции, энергетические спектры, радиусы автокорреляции, средние квадраты амплитуд) наблюденных гравитационных и магнитных анома-

лий, как сигналов, состоящих из суммарного влияния неоднородаостей криолитозоны, случайным образом распределенных по горизонтали.

8. Теоретически обоснована и рассчитана высота перечета исходного поля, начиная с которой в суммарном поле пропадают"помехи, обусловленные неоднородностями криолитозоны.В зависимости от размеров источников аномалий для различных типов неоднородаостей определены пределы изменения высоты пересчета полей при различных шагах съемки.

Э. Показаны эффективность, пути и возможности применения комбинированного фильтра сглаживания аномалий при подавлеши помех от неоднородаостей криолитозоны. Предложен новый вариант комбинированного фильтра.

10. Построены различные графики и номограммы, облегчающие интерпретацию спектральными способами аномалий от неоднородаостей криолитозоны цилиндрической формы, которые опробованы на модельных и практических примерах, соответствующих повторно-жильным льдам.

11. Разработаны способы интерпретации, основанные на применении взаимно-обратных функций нормированных значений гравитационных и магнитных аномалий от тел, аппроксимирующих основные;типы неоднородаостей криолитозоны.Предложены способы интерпретации аномалий, использующие заранее заданное эталонное тело. Применение эталонного тела позволяет получить новые сведения и расширяет возможности интерпретации. Разработанные способы опробованы на практических материалах гравитационного поля от нефтеносных структур. Показаны пути и возможности их применения.

Основные защищаемые положения :

1. Разработанные теоретические и технологические ахемы исследования процессов изменения плотности и намагниченности рыхлых горных пород при замерзании-оттаивании.

2. Установленные закономерности изменения сезонных вариаций

- 23 -

гравитационного и магнитного полей криолитозоны.

3. Разработанная методика подавления и учета влияний неоднородностей криолитозоны в гравитационных и магнитнызаполях.

4. Разработанные способы интерпретации аномалий от основных типов неоднородностей криолитозоны.

Опубликованные работы по теме диссертации:

1. Васильев П.С., Защинский Л.А. Базирование информации о криогенных влияниях на петромагнетизм в СОД на ЭВМ // Сбор, обработка и хранение петрофизической информации: жТезисы к научно-практической конференции. -Красноярск, 1985. -С.72-74.

2. Васильев П.С., Защинский Л.А. Расширение подсистемы СОД " Петрофизика " для целей прогноза // Там же. -С.74-76.

3. Васильев П.С., Защинский Л.А. К характеристике подсистемы СОД " Петрофизика-прогноз " // Там же. -С.76-78.

4. Васильев П.С. К применению микромагнитной съемки по вечной мерзлоте // Тезисы докл. YI респ. научно-практ. конф. молодых ученых и специалистов, посвященной xxvii съезду КПСС. -Якутск, 1986. Часть III. -С.18-20.

5. Васильев П.С. Возможный механизм возникновений электромагнитного излучения // Тезисы докл. XII конф. молод, научн. сотруд. по геологии и геофизике Вост. Сибири. -Иркутск, 1986.-С.182-183.

6. Васильев П.С. Изучение динамики процесса сезонного оттаивания геофизическими методами с целью прогнозирования криогенных явлений // Исследование мерзлых толщ и криогенных явлений.-Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО АН СССР, 1988. -С.140-144.

7. Васильев П.С., Павлов А.Г. Геологическая интерпретация поисковых геофизических микросъемок золото-кварц-малосульфидной килы // Тезисы докл. vil респ. научно-практ. конф. молод.ученых и спец. посвященной 70-летию ВЛКСМ. -Якутск, 1988. Часть II. -С.14-15.

8. Васильев П.С. Опыт петрофизического обоснования геофизической микросъемки // Петрофизика рудных районов Сибири: Тезисы к научно-практической конференции. -Красноярск, 1988.-С.-Р9-20.

9. Васильев П.С. К вопросу сезонных вариаций геофизических полей криолитозоны // Геофизические исследования в Якутии.-Якутск: Изд-во Якутского ун-та, 1990. -С.79-83.

10. Васильев П.С. Изучение Еариаций гравитационного поля криолитозоны / Моск. ин-т нефти и газа. -М., 1990. -5,с.-Деп. в ВИНИТИ 12.10.90, N 5358-В 90.

11. Васильев П.С. О повышении эффективности применения грави-разведки и магниторазведки на криолитозоне // Построение ФГМ и системный подход при истолковании результатов геофизических исследований: Тез. докл. научно-техн. конф.-Пермь, 1990. -С.40-41.

12. Васильев П.С. О возможности картирования неоднородностей криолитозоны по потенциальным полям // Проблемы развития нефтегазового комплекса страны: Тезисы докладов Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов. -М., 1991. -С.5.

13. Васильев П.С. О моделировании физических процессов в криолитозоне // Геологические исследования и охрана окружающей среды на Западном Урале: Тезисы докл. науч.-техн. конф.-Пермь,1991.-С.8.

14. Васильев П.С. К применению методов потенциальных полей в геокриологии // Совершенствование методов поисков, разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений: Тезисы докл. науч.-техн. конф.-Пермь, 1991.-С.15.