Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Развитие метода электрической томографии на основе математического моделирования электрических полей

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Развитие метода электрической томографии на основе математического моделирования электрических полей"

На правах рукописи

Шкабарня Григорий Николаевич

РАЗВИТИЕ МЕТОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Специальность. 25 00 10 - геофизика, геофизические методы поисков

полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

иозо7 15Э8

Владивосток 2007

003071598

Работа выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им. В И Ильичева ДВО РАН

Научный руководитель1

кандидат геолого-минералогических наук, Никифоров Валериан Митрофанович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Стоценко Любовь Григорьевна, доктор геолого-минералогических наук, профессор Абрамов Валерий Александрович

Ведущая организация.

Институт Тектоники и Геофизики им Ю.А. Косыгина ДВО РАН

Защита состоится 29 мая 2007 года в 10 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.055.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук при Дальневосточном государственном техническом университете (ДВПИ им. В В Куйбышева) Федерального агентства по образованию РФ по адресу 690600, г Владивосток, ГСП, ул Алеутская, 39. Институт инженерной и социальной экологии, конференц-зал Тел./факс (4232)401-628 e-mail: vakh@fegi ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета (ДВПИ им В В Куйбышева) по адресу, г. Владивосток, ул Пушкинская, 10

Автореферат диссертации размещен на сайте Дальневосточного государственного технического университета по адресу httpV/www.festu ru

Отзывы на автореферат направлять учёному секретарю диссертационного совета

Автореферат разослан 27 апреля 2007 г

Учбный секретарь диссертационного совета1 доц., к.г.-м н.

j^ ас.

Общая характеристика работы

Актуальность. Разведка угольных и рудных месторождений в сложнопостроенных геологических условиях Дальнего Востока РФ требует большого количества дорогостоящих скважин. Применяемые ранее наземные геофизические исследования и, в первую очередь, модификации метода сопротивлений, не позволяли детально изучать разрез между редкими скважинами При решении задач инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии, где в настоящее время сосредоточены основные объёмы работ методом сопротивлений, исследования проводятся также в условиях сложного горизонтально-неоднородного строения. Поэтому для оценки структурно-тектонического строения геологических сред необходимо внедрять новые модификации, которые позволяют получать исходные данные с высокой плотностью и точностью измеряемых параметров

Одной из таких модификаций является электрическая томография, реализующая плотное размещение большого количества (до нескольких сотен) электродов на дневной поверхности Новые задачи и технологии потребовали теоретических разработок, связанных с математическим моделированием электрических полей для многоэлектродных систем наблюдений Моделирование необходимо использовать на всех этапах электроразведочных работ, в том числе для оценки их информативности Поэтому для внедрения электрической томографии при детальном изучении геологических сред весьма актуальна проблема решения прямых задач в неоднородных средах при произвольном расположении источников и приёмников, формирования закономерностей аномальных областей в электрических полях и установления критериев обнаружения в разрезе искомых объектов.

Цель работы: Оценка информативности электрической томографии при изучении структурно-тектонического строения геологических сред на основе математического моделирования, установления закономерностей аномальных электрических полей и критериев обнаружения в разрезе искомых объектов.

Основные задачи исследований:

1 Обзор исследований электрической томографией с анализом возможностей многоэлектродной аппаратуры, методических особенностей проведения полевых работ и способов обработки томографических матриц

2 Анализ основных положений по формированию геоэлектрических моделей с учётом априорной геолого-геофизической информации и результатов моделирования полей

3. Разработка вычислительных алгоритмов и программ расчета кажущихся сопротивлений для горизонтально-слоистой среды и однородной среды со сфероидом вращения при произвольном расположении электродов не только на дневной поверхности, но и внутри среды (в скважине).

4. Изучение особенностей пространственной структуры электрического поля по выбранным моделям и установкам, установление закономерностей аномального электрического поля при различных соотношениях геометрических и физических параметров сред.

5. Определение критериев обнаружения и прослеживания в разрезе промежуточных слоёв и локальных объектов при расположении электродов на поверхности и для системы наблюдений «скважина-поверхность».

6. Формирование фоновых геоэлектрических моделей оползневого склона на угольном разрезе «Восточный» и установление закономерностей поля при выделении ослабленных слоёв.

7. Проведение опытно-методических работ с различными многоэлектродными комплексами, опробование методических приёмов, оценка информативности полевых матриц при изучении структурно-тектонического строения геологических сред на различных участках.

Идея работы заключается в использовании аппарата математического моделирования, закономерностей аномальных электрических полей и критериев выделения объектов при формировании фоновых геоэлектрических разрезов и определении предварительных параметров для исключения эквивалентных решений в процессе интерпретации томографических матриц.

Основные защищаемые положения.

1. Программно-математическое обеспечение расчёта кажущихся удельных сопротивлений для слоистых разрезов и сред с локальным объектом, произвольного расположения источников и приёмников на дневной поверхности и внутри среды (по стволу скважины) с применением аналитических и численных методов решения позволяет получать теоретические томографические матрицы и оценивать разрешающую способность разных систем электрической томографии при обнаружении и прослеживании слоёв и локальных объектов.

2. Основными критериями обнаружения и прослеживания слоёв, выклинивающихся пластов и локальных объектов в разрезе кажущихся сопротивлений служат форма аномальных областей, закономерности изменения градиентов поля, взаимное расположение нормальных и обратных по знаку аномальных значений кажущихся сопротивлений; предварительное

определение геометрических параметров разреза производится по расположению изолиний в зоне их сгущения

3 Фоновые геоэлектрические модели оползневых массивов, составленные на основе априорной геолого-геофизической информации и анализа результатов математического моделирования с конкретными параметрами, позволили устранить эквивалентные решения при формировании геоэлектрического разреза с учетом закономерностей поля и критериев выделения ослабленных слоёв

4 Новые данные о структурно-тектоническом строении, полученные на основе геоэлектрических моделей для угольных депрессий, рудного района, оползневого склона угольного разреза и площадей проектируемого строительства, подтвержденные заверочными скважинами, показали повышенную информативность электрической томографии по сравнению традиционными модификациями метода сопротивлений

Научная новизна

1 Впервые разработано программно-математическое обеспечение (алгоритмы и программы) расчёта кажущихся удельных сопротивлений для горизонтально-слоистой среды и однородной среды со сфероидом при расположении питающих и приёмных электродов на вертикальных (скважина) и горизонтальных (дневная поверхность) профилях

2 Установлены закономерности электрических полей томографических матриц в зависимости от геометрических и физических параметров выбранных моделей и систем наблюдений.

3 Определены критерии обнаружения и выделения промежуточных слоёв, горизонтально-протяженных локальных неоднородностей и выклинивающихся горизонтов в геоэлектрическом разрезе

4. Составлены фоновые геоэлектрические модели оползневых склонов на угольном разрезе «Восточный», определены закономерности поля при выделении ослабленных слоёв, установлены условия обнаружения и прослеживания мягкопластичных глин среди четвертичных отложений и пластичных глин неогенового возраста

5 Получены новые данные о структурно-тектоническом строении нескольких участков Приморского края при картировании угольных депрессий и решении задач инженерной геологии

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечивается созданными алгоритмами и корректной постановкой задач по обоснованию эффективности электрической томографии на основе базового принципа электроразведки - принципа моделирования изучаемых полей Этот принцип позволил определить рациональную систему наблюдений,

оценить разрешающую способность, критерии выделения изучаемых объектов и, в конечном счете, информативность новой модификации метода сопротивлений. Выбранные идеализированные модели, в первом приближении, отражают фрагменты геоэлектрических разрезов и имеют решения по определению потенциала в поле точечного источника. Такой подход вполне оправдан, поскольку анализировать результаты моделирования и определять закономерности поля в рамках сложных сеточных моделей трудно и неоправданно. Понижение размерности существенно упрощает построение модели начального приближения, поскольку уменьшает число определяемых параметров и, соответственно, неоднозначность решения обратной задачи.

Практическая ценность. Разработанные алгоритмы и программы оперативного расчёта полей кажущихся удельных сопротивлений для выбранных моделей и установок, результаты анализа характерных особенностей поведения полей, критерии обнаружения и прослеживания слоёв и локальных объектов в разрезе позволяют выбирать рациональные системы наблюдений, создавать новые приёмы обработки полевых матриц, оценивать информативность электрической томографии при решении конкретных геологических задач. Проведенные опытно-методические работы позволили оценить эффективность электрической томографии при картировании углеперспективных участков в Приморье, при изучении структуры золоторудного месторождения в Амурской области и инженерно-геологических изысканиях в строительстве и на угольных разрезах. Но области практического применения новой модификации обширны - это рудные объекты и их ореолы, линзы подземных вод, подземные карстовые полости, области техногенного загрязнения пород, различные археологические объекты и другие разнообразные локальные неоднородности естественного или техногенного происхождения. Причём задачами исследований является не только обнаружение и оконтуривание неоднородностей, но и слежение за динамикой развития неоднородностей во времени Новый этап развития электрической томографии с применением систем наблюдений скважина-поверхность приведет к повышению эффективности метода сопротивлений и дальнейшему расширению его возможностей

Личный вклад автора. Состоит в разработке прямых задач, создании алгоритмов и программ математического моделирования электрических полей для выбранных неоднородных сред и томографических систем наблюдений, анализе результатов математического моделирования и формирования закономерностей аномального электрического поля,

установление критериев обнаружения и прослеживания промежуточных слоев в слоистом разрезе и локальных объектов во вмещающей среде, обосновании эффективности применения систем наблюдений «скважина-поверхность», формировании фоновых геоэлектрических моделей оползневых склонов угольного разреза В основу диссертационной работы положены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора за период с 1996 по 2006 годы, материалы полевых работ, организованных и проведенных автором в Приморье и Амурской области по заказам ФГУГП «Приморская поисково-съемочная экспедиция», ЗАО «ЛуТЭК», ОАО «Приморскуголь», ДальНИИС РААСН, ЗАО «Артель «Инагли», ООО «Сейсмозащита» и других организаций

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены в 45 печатных работах Отдельные положения диссертации докладывались на 30-м Международном геологическом конгрессе (Пекин, 1996 г), первом, третьем и пятом международных студенческих конгрессах стран АТР (1995, 1999, 2003 гг), конференциях Дзилиньского университета КНР (1996, 1999, 2002 гг), научно-технических конференциях ДВГТУ (1994-2004 гг), других международных и региональных конференциях Результаты исследований автора вошли составной частью в отчеты научно-исследовательских работ по проектам Минобразования РФ «Исследование возможностей применения томографической электроразведки» (1998-2000 гг), «Методология электрической томографии при детальном изучении геологической среды» (2001—2002 гг), «Разработка физико-математических основ метода электрической томографии при изучении геологических сред» (20032004 гг), по грантам ГФЕН КНР "Разработка теоретических основ и методики определения положения аномалиеобразующих источников при электрических исследованиях в сложнопостроенных условиях" и "Разработка теоретических основ, метода и техники томографии удельного электрического сопротивления", по гранту американского агентства международного развития «ЭкоЛинкс» (USAID) «Оценка альтернатив улучшения качества воды на Павловском угольном разрезе ОАО Приморскуголь» (2002 г ) Материалы и отчеты полевых работ, проведенных автором в Приморье и Амурской области вошли составной частью в производственные отчеты по разведке участка Фадеевский, Одолгинского золоторудного поля и др, составили геофизические разделы 17 отчетов по инженерно-геологическим изысканиям г Владивостока и Приморья

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения Объем - 155 страниц текста, включая 52 рисунка и 5 таблиц Библиографический список содержит 147 наименований

Автор благодарен за плодотворное сотрудничество научному руководителю В М Никифорову Особую поддержку при работе над отдельные положениями работы оказали Н Г Шкабарня и Ю Г Израильский При проведении полевых работ огромную помощь оказывали А Т Кандауров, Б И Каштаев, В Г Мельник, В Д Габышев, А М Васянович, В В Пиженин, В А Мицкевич, Б Е Голованов, А Д Николайчук, И В Калинин Все им автор выражает искреннюю благодарность

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассматриваются этапы развития электрической томографии на постоянном токе, методические особенности, программы обработки, выполнен анализ возможностей современных многоканальных комплексов и приведены примеры использования этой технологии

Метод сопротивлений, основанный на различии удельных электрических сопротивлений горных пород, применяется при решении разнообразных геологических задач Особые возможности в совершенствовании метода связаны с созданием цифровых комплексов с многоэлектродными (до нескольких сотен) системами наблюдений, которые стали называть томографическими системами, а сама модификация получила название «Электрическая томография удельных сопротивлений» (Electrical Resistivity Tomography)

Практическое воплощение электрической томографии (Loke, 1995, Barker, 1998) стало возможным благодаря появлению многоканальных измерительных комплексов со встроенными микропроцессорами и памятью Каждый электрод в соответствии с программой опроса используется как в качестве питающего, так и в качестве приемного Отличительными особенностями аппаратурных комплексов ведущих производителей (АВЕМ, IRIS Instruments, Advanced Geosciences, Geometries, Scintrex, Campus, DMT и др ) являются высокая производительность, повышенная точность измерений и помехоустойчивость В результате полевых работ производятся измерение параметров поля, вычисление кажущихся сопротивлений, визуализация вычислений и первичная обработка данных Процесс изменения расстояний между приемниками и источниками в разных единичных установках позволяет изучать разрез в горизонтальном (по латерали) и вертикальном (по глубине) направлениях Для обработки результатов наблюдений иногда применяют упрощённые алгоритмы трансформации с определением эффективных удельных сопротивлений Для количественной оценки параметров среды и построения геоэлектрической модели используется инверсия результатов наблюдений с помощью программ Res2dinv, Resix-2di,

Sensinv2d и др, которая сводится к минимизации модельной невязки практической и теоретической матриц

Электрическая томография в других странах применяется для решения разнообразных задач инженерной геологии, геоэкологии, гидрогеологии и археологии Среди задач преобладают исследования для геологического картирования, оценки условий залегания и выделения ореолов подземных вод, обнаружения местоположения утечек вредных веществ из хранилищ, контроля качества воды и процессов очистки, технической оценки различных фундаментов, отыскания различных сооружений древности Геологический разрез изучается по глубине до 30-50 м, что определяется характером поставленных задач В России электрическая томография применяется в ограниченных масштабах Исследования проводятся на кафедре геофизики МГУ, где разработана методика сплошных электрических зондирований (СЭЗ) Артель «Амур» (г Хабаровск) применяет аппаратуру АВЕМ при разведке золоторудных месторождений Автор в своих работах использовал многоэлектродные комплексы Е60В (GeoPen, КНР) и SARIS (Scintrex, Канада)

Во второй главе приведены основные положения по формированию модели изучаемой среды, решения прямых задач и алгоритмы расчета кажущихся сопротивлений для слоистых моделей, представленных горизонтально-однородной средой и однородным полупространством со сфероидом вращения при произвольном расположении электродов на поверхности и внутри среды (по стволу скважины) По составленным алгоритмам созданы программы массового использования, которые позволяют получать цифровые томографические матрицы для разных единичных установок

На этапе формирования фоновой геоэлектрической модели учитывается априорная геолого-геофизическая информация, оценивается степень неоднородности среды, выбираются обобщённые параметры разреза и вырабатывается стратегия решения прямых и обратных задач Методы решения прямых задач в электроразведке постоянным током представлены двумя подходами аналитическим и численным Аналитические решения получены лишь для ограниченного класса моделей Главная их ценность состоит в возможности выделения основных закономерностей поведения поля Численные методы для расчёта электрических полей в неоднородных средах представлены двумя различными направлениями, использующие уравнения на поверхности раздела сред или объемные интегральные уравнения (В И Дмитриев, О В Тозони, Ю.М Гуревич, В К Хуторянский, Е Б Изотова, Р М Ермохин)

Выбранные для исследования модели слоистой среды и полупространства со сфероидом удовлетворительно аппроксимируют фрагменты сложнопостроенных сред Вначале для моделей и томографических систем наблюдений были разработаны алгоритмы и программное обеспечение расчета полей с источниками только на поверхности Но, в дальнейшем, после анализа результатов моделирования, задача была усложнена для расположения источников и приемников на поверхности и внутри среды (скважина) с тем, чтобы определить эффективность электрической томографии для системы «скважина-поверхность» При решении задачи для горизонтально-слоистой среды использовался только аналитический подход, для среды со сфероидом -аналитические и численные методы

Для решения использована цилиндрическая система координат, ось Ъ которой проходит через источник тока I перпендикулярно плоскостям раздела слоёв с параметрами сгь сг2, Ь2, . сг„, где сг» Ъ, - проводимости и мощности слоёв (рис 1) Без ограничения общности источник тока располагаем на одной из границ раздела Случай, когда источник находится внутри слоя, сводился к введению фиктивной границы, разделяющей два слоя с одинаковой проводимостью

СГЬ И\

о2, И2

21

Рис 1 Модель горизонтально-слоистой среды

Пусть плоскости раздела слоёв имеют уравнение г — г,, г = 0 Тогда электрический потенциал и должен удовлетворять внутри каждого слоя уравнению

1 д , ди, д2и

г дг дг дг граничным условиям

[£/(г,г)]=0, щтиг = гк, к= 1,. ,п б ^Ы = |0 при г = г0, I (2)

дг [- 1д{г)/2лг при г = г0, I = 0.

-—(г—) + ^ГГ = 0. О)

dU(z,r) 1 [0 при z = zk,k*I,

dz J {- Iô{r)l2nr при z = z,

и условию затухания на бесконечности Здесь квадратные скобки обозначают величину скачка заключенной в них величины, а ¿(г) - дельта-функция Дирака В процессе определения потенциала в произвольных точках полупространства исходный интеграл Ханкеля путём замены переменных преобразовывался в интеграл свёртки, который после дискретизации приводился к виду линейного фильтра. Алгоритм линейной фильтрации является наиболее эффективным аппаратом при вычислении потенциала в

силу быстроты и точности расчёта. ff,_

В случае однородного полупространства с проводимостью

CIi

Oi, имеющего включения в виде 1 сфероида с проводимостью ег2 (рис. 2), требовалось найти решение уравнения

Рис 2 Модель однородного полупространства со сфероидом.

V2U(x) = — ô(x - *0), xeV]\JV2 ,

(3)

U(x) —> 0, при x -> oo

(4)

удовлетворяющее граничным условиям

и условиям сопряжения на границе сфероида (поверхность разрыва распределения проводимости)

зи~

дп

= 0 ,

(5)

где У\ — подобласть полупространства с проводимостью сгь Кг — подобласть полупространства с проводимостью а2, Б\ - граница полупространства (дневная поверхность), Б2 - общая граница областей и У2 (граница сфероида), х = (х',х2,х3) - координаты произвольной точки полупространства, х0 = - координаты точечного источника постоянного тока,

<5(х) - дельта-функция Дирака, а квадратные скобки обозначают величину скачка, заключённой в них функции при переходе через поверхность

Представленная модель является квазитрёхмерной, что обусловлено осевой симметрией области решения задачи. Наиболее эффективным

методом решения задач такого типа является метод интегральных уравнений, позволяющий свести задачу к решению системы несвязанных одномерных интегральных уравнений С этой целью введена вспомогательная функция Грина, удовлетворяющая уравнению

У21С(х,у) = ^(х-у), х,7еГ,иК2и52 (6)

и краевым условиям

chr

= 0, yeV , G(x,y)->0, при ||х|->°о, yeV (7)

хeS,

С помощью преобразований и свойств двойного слоя производится вывод интегрального уравнения, а используя численные методы - редукция к системе одномерных интегральных уравнений В процессе доказаны теоремы единственности решения краевой задачи, разработаны новые алгоритмы вычисления функций Лежандра и определена система линейных алгебраических уравнений относительно значений искомой потенциальной функции в узлах разностной сетки Процесс суммирования продолжается до тех пор, пока абсолютная величина последнего члена ряда не станет меньше наперед заданной погрешности

На основе вычисления потенциалов при опросе любой установки кажущиеся сопротивления томографической матрицы определялись по формуле

. ___ Ум-и*) ш

f_L+J___1___1___1___L+J_+J_1 1 '

Jt-ш R^M Ran RAN &ВМ ^BN ^BN ^BN , где А и В - точки зеркально симметричные точкам А и В относительно дневной поверхности, Ram - расстояние между соответствующими электродами, UM и UN - потенциалы приемных электродов М и N При моделировании требовалось многократно находить и сохранять распределения потенциала при различных положениях питающих электродов Это позволило существенно сократить время счёта на ПЭВМ

Содержание этой главы позволяет обосновать первое защищаемое положение - программно-математическое обеспечение расчёта кажущихся удельных сопротивлений для слоистых разрезов и сред с локальным объектом, произвольного расположения источников и приёмников на дневной поверхности и внутри среды (по стволу скважины) с применением аналитических и численных методов решения позволяет получать теоретические томографические матрицы и оценивать разрешающую способность разных систем электрической томографии при обнаружении и прослеживании слоев и локальных объектов.

В третьей главе изложены результаты анализа математического моделирования полей для выбранных моделей и томографических систем, на основе которого установлены закономерности поведения аномальных электрических полей, критерии выделения слоев и локальных объектов, а также изложена последовательность формирования фонового геоэлектрического разреза оползневого склона на угольном разрезе «Восточный» и закономерности поля при выделении ослабленных слоёв

Особое внимание при анализе разрезов уделено форме аномальных областей, которые выделялись огибающими линиями с наибольшими градиентами, положению этих линий по вертикали и горизонтали с установлением количественной связи их с геометрией промежуточного слоя или горизонтально-протяжённого сфероида (кровля, подошва, размеры по профилю), расположению нормальных аномалий (физические параметры объекта и аномалии по знаку совпадают) и аномалий обратного знака

Для горизонтально-слоистых сред рассматривали двух-, трех- и четырехслойные модели разных типов. При расположении системы наблюдений только на поверхности анализ томографических матриц ничего существенного к известным закономерностям поведения кривых электрического зондирования не добавляет (Каленов, 1957) Однако при интерпретации практических матриц плотная информация позволяет эффективнее использовать эти закономерности, установить отклонение поля от его нормальных значений и выделить неоднородности разреза

Что касается разрешающей способности систем «скважина-поверхность», то их возможности по выделению промежуточных горизонтов заметно увеличиваются Форма аномалий определяется положением электродов единичной установки (рис 3). только на поверхности (область 1), только в скважине (область 2), одновременно в скважине и на поверхности (область 3). Закономерности в области 2 рассматриваем как поле над средой с вертикальными границами При благоприятных соотношениях параметров модели и начальной длины между электродами можно определить истинные значения удельных сопротивлений слоёв и положения границ При анализе поля в областях 2 и 3 пласты уверенно выделяются локальными аномалиями, осложненными рядом экранных эффектов При обработке практических матриц для среды с промежуточным слоем можно воспользоваться следующими признаками

^ аномальная область имеет клиновидную форму, размеры ее определяются глубиной залегания слоя, с увеличением глубины область уменьшается; ^ четыре протяженные линейные аномалии для четырехэлектродных установок и три - для трехэлектродных соответствуют общим точкам расположения приёмных и питающих электродов, по форме аномалий можно определить

кровлю и подошву слоя; линейность аномалий свидетельствует о пологом залегании слоя;

^ если мощность слоя сравнима с расстоянием между электродами, то для случая проводящего слоя наблюдаем только нормальные аномалии, а для непроводящего как нормальные, так и аномалии обратного знака; / если изолинии в области 1 на удалении от скважины выполаживаются и располагаются параллельно поверхности, то это свидетельствует о пологом залегании слоя.

О 5 10 1! 20 25 30 35 40 45 50 55

Рис. 3. Разрез кажущихся сопротивлений для трехслойной модели и системы наблюдений «скважина-поверхность». Количество электродов установки 60: 20 на вертикальном профиле (в скважине), 40 на горизонтальном профиле (на поверхности). Шаг межу электродами = а. Опрос по схеме Веннера (АМ=М№=Ь1В). Параметры модели: удельное сопротивление первого слоя р, = 1, второго слоя й = 1/16, третьего слоя Рь = мощность первого слоя = 8а, мощность второго слоя ~ 2а.

Модель однородной среды со сфероидом можно использовать при аппроксимации локальных трехмерных неоднородностей. В работе особое внимание уделено горизонтально-протяженным сфероиду (диск во вмещающей среде). В структурных районах к таким неоднородностям можно отнести различные выклинивающиеся слои (в том числе угольные пласты и залежи), линзы водоносных горизонтов, локальные области загрязнения подземных вод. Особенности поля рассмотрены для нескольких вариантов расположения многоэлектродной системы относительного центра сфероида. При расчетах использованы относительные геометрические параметры в единицах малой полуоси сфероида (а), аппроксимирующие наиболее

интересные случаи в практике. Для изометрического объекта Ыа =1,2; Ыа = 2, 4, 8, для горизонтально-протяженного - Ыа- 4, 8, 16; Ыа= 2, 4, 8, где Ъ большая полуось, А — глубина до центра сфероида Удельное электрическое сопротивление сфероида в единицах вмещающей среды {р{) изменялось в диапазоне /Ул = 1/16, 1/4, 4, 16, охватывая, таким образом, случаи высокой, повышенной, пониженной и низкой проводимости объекта

При любых соотношениях геометрических и физических параметров объекта и вмещающей среды на разрезах повсеместно наблюдаем плавный характер поведения изолиний со сгущением их на определенных участках аномальных областей В случае расположения середины системы наблюдений над центром горизонтально-протяженного сфероида по линиям наибольшего градиента, огибающим аномалию, можно установить предварительные размеры объекта по профилю и положение его кровли При смещении середины системы относительно центра сфероида, а также с увеличением его глубины интенсивность аномалии постепенно уменьшается. Для изометрических объектов аномальная область и особенно её внутренние изолинии вытянуты по оси разносов, но по огибающей линии наибольшего градиента можно установить размеры объекта по профилю Положение кровли определяются менее уверенно, чем в случаи горизонтально-протяженного сфероида

В случае системы наблюдений «скважина-поверхность» форма аномальных областей сложная и определяется близостью точки выклинивания сфероида к вертикальному профилю Как правило, при /з^Л > 1 по обе стороны от нормальной аномалии располагаются аномалии обратного знака с меньшими интенсивностям По расположению линий наибольшего градиента можно уверенно определить размеры, а также кровлю и подошву объекта

В результате анализа результатов математического моделирования установлены закономерности, которые можно использовать при обнаружении локальных объектов в поле кажущихся сопротивлений на практических матрицах В первую очередь следует учитывать

^ своеобразную форму аномальных областей для проводящих и непроводящих объектов, законы её изменения при совпадении и не совпадении середины установки с эпицентром объекта (при совпадении элементы аномальной области располагаются симметрично относительно центра аномалии, при несовпадении наблюдается асимметрия, причем более протяженные зоны тяготеют к середине установки); расположение линий наибольшего градиента нормальной аномалии позволяет установить размеры объекта по профилю, приближенно определить его кровлю, менее уверенно — подошву,

13

величины аномалий возрастают при увеличении объёма неоднородности, попадающего в область распространения токов, ^ повышение разрешающей способности при выделении объекта определяется возможностью накопления аномального эффекта по общим точкам расположения приёмных и питающих электродов.

Полученные закономерности позволили обосновать второе защищаемое положение: основными критериями обнаружения и прослеживания слоёв, выклинивающихся пластов и локальных объектов в разрезе кажущихся сопротивлений рк служат форма аномальных областей, закономерности изменения градиентов поля, взаимное расположение нормальных и обратных по знаку аномальных значений кажущихся сопротивлений; предварительное определение геометрических параметров разреза производится по расположению изолиний в зоне их сгущения.

При решении различных геологических задач математическое моделирование в практике приходилось применять для формирования фоновой геоэлектрической модели или модели начального приближения Это сложный процесс и в каждом конкретном случае он имеет свои особенности В работе рассмотрен пример формирования модели оползневого склона угольного разреза «Восточный» (Приморский край), где выполнены наибольшие объёмы опытно-методических работ

На основании данных инженерно-геологических скважин вдоль бровки борта, гидрогеологических условий и предварительного анализа проводимости пород на всей площади сформированы четыре геоэлектрических модели с обобщёнными параметрами. Особое внимание в работе уделено второй модели, которая протягивается вдоль бровки борта и включает на глубине 25-30 м сильно набухающие глины (Ы) мягкопластичной консистенции с сопротивлением 7-12 Омм. Сверху этот слой перекрывается комплексом аллювиальных глин и суглинков с прослоями и линзами песков, песчано-глинистого и песчано-гравийного материала Эти глины в естественном залегании имеют тугопластичную консистенцию (14-40 Омм), которая при увлажнении местами переходит в мягкопластичную (10-15 Омм), образуя новый ослабленный слой. На поверхности разрез представлен насыпным грунтом (24-100 Омм) Обобщённая геоэлектрическая модель представлена типами ОН, КН

После предварительного анализа практических матриц получено более детальное расчленение геоэлектрической модели На рис 4 представлены зависимости /?к = /(г), рассчитанные по параметрам предварительной обработки матриц для наиболее представительных профилей, в которых отражены свойства мягкопластичных глин, песчано-глинистых и песчано-гравийных отложений. В

14

данном случае для анализа закономерностей поля достаточно использовать зависимости = /(/*) из середины матриц (кривые электрического зондирования с наибольшим числом разносов) Выбранные модели относятся к следующим типам С>НК (ПР 1), «ЗНАК (ПР 2, 5), НК (ПР 6,9)

- ПР 1...... : ь.= р>= з Ь2 = 4 X 50 Ра =18 Ьз = 7 Ь- Ч.Рз=12 114 ____Р4 = 17 18 Ь5 = оо Рз= 8

1 Ь, = 3 . ПР2 р, = 2 Ь2 = 3 Ь3 = 5 Рз= 1 2 Ь4 = 5 Ь5 = 7 иГ18 Р^ Ь7= ОО ..р<=18 р7= 10 _____

ПР 5 Ь> = 4 р, = 40 112 = 2 р2=1В Ь>~7 Рз= 10 114 = 3 Ь, = 7 Ъ* = 1 ь - п, 00

ПР 6 Р, = 28 = 7 Ь3 = 17 Г 10 р3 = 20 • ♦ • х .м»——— Ь4 = оо р4=10

- ПР9 Ь Р 1 1 11111> Ь2 = , = 30 1 1 111111 0 12 Ь3=14 р3 = 22 1 1 111111 Ь4= оо Р4=Ю .......11 1

О 1 10 100 юос

Рис 4 Теоретические зависимости д. = /(г) для слоистых сред по параметрам, полученных в результате интерпретации практических матриц на профилях 1,2,5,6, 9 (мощность И в м, удельное сопротивление ръ Омм)

15

На основании анализа зависимостей для модели с обобщенными параметрами вблизи бровки установлено, что пластичные глины неогена выделяются только совместно с подстилающими сильно обводнёнными суглинками, алевролитами и аргиллитами палеозоя как единый горизонт низкого сопротивления На кривых типа С^НК (ПР 1) и (ЗНАК (ПР 2) слой мягкопластичных глин в четвертичных отложениях (/% = 12 Омм) тоже не выделяется, поскольку при сравнимых мощностях с вышележащими породами повышенного сопротивления он слабо отличается от вмещающих отложений Р1 = Р4- 18 Омм Но небольшое увеличение мощности слоя глин А3 = 7м против вышележащих И\ + й2 = 6 м и незначительное уменьшение сопротивления рх, = 10 Омм (ПР 5) даёт возможность выделять проводящий слой едва заметным минимумом рк с величиной аномалий В « 5%. Установлено также, что маломощные слои песчано-глинистых пород в четвертичных отложениях (й5) с повышенными сопротивлениями р5 = 24 Омм (ПР 2) и р$ = 28 Омм (ПР 5) практически не выделяются аномальными значениями .

Для кривых НК (ПР 6) установлено, что увеличение мощностей (й2 = 7 м, Аз = 17 м) с глубиной позволяет уверенно выделять (В > 8%) слои низкого сопротивления /Тг = 10 Омм (мягкопластичные глины) и повышенного сопротивления = 20 Омм (песчано-глинистые и обводненные песчано-гравийные отложения) В случае увеличения сопротивления глин (р1 = Х1 Омм, ПР 9), а главное уменьшения мощности песчано-глинистых отложений (А3 = 14 м), зависимости рк = /(г) имеют едва заметный минимум д

Таким образом, на площади оползневого склона с указанными параметрами фонового разреза в случае, если мощности мягкопластичных глин превышают 7 м, а сопротивления изменяются в диапазоне Ю-120мм, то они будут выделяться и прослеживаться в поле кажущихся сопротивлений на практических матрицах Эта закономерность также подтверждена при анализе теоретических матриц с других пунктов оползневого массива, количество которых более пяти десятков Вывод имеет важное значение, поскольку параметры этих глин с течением времени изменяются в сторону увеличения мощностей и уменьшения сопротивлений

В результате исследований обосновано третье защищаёмое положение фоновые геоэлектрические модели оползневых массивов, составленные на основе априорной геолого-геофизической информации и анализа результатов математического моделирования с конкретными параметрами, позволили устранить эквивалентные решения при формировании геоэлектрического разреза с учетом закономерностей поля и критериев выделения ослабленных слоёв.

Четвёртая глава посвящена геологическим результатам опытно-методических и производственных работ при поиске полезных ископаемых. Работы проводились на протяжении последних шести лет. В процессе работ опробованы методические приёмы проведения полевых исследований, накоплен опыт формирования фоновой геоэлектрической модели, выработана стратегия решения обратной задачи, получены новые данные о структурно-тектоническом строении участков.

Для выяснения картировочных возможностей электрической томографии в пределах углеперспективного участка «Фадеевский» (Приморский край) исследования проводились с максимальной длинной установки 150 м, что позволило детально проследить геологическое строение до глубины 30м. С учетом интерпретации нескольких дополнительно проведенных точек ВЭЗ, построения были дополнены до глубины 50 м.

ТТС17- .

SD314 -Tvcu 5*1 i :> . m Is вззи 633 it 1У1N - туг в«!» rv; i: * 7M I]

Рис, 5. Геолого-геоэлектрический разрез по профилю 2 участка Фадеевский.

1 - поч венно-растигельный слой, элювий с обломками пород; 2 - арг-иллиты К,£/; 3 — песчаники туфогенные К^/; 4 - аргиллиты плотные, глинистые с прослоями угля и песчаниками К^; 5 - песчаники с прослоями алевролита К^; 6 - песчаники гравслистые, почти конгломераты, прослои угля, углистые аргиллиты К] ¡ру, 7 - аргиллиты с прослоями песчаника К]1р2: 8 - песчаник аркозовый К, 1р2: 9 - песчаники гравелисгые К51р2, 10- песчаники аркозовыс и аргиллиты плотные геоэлекгрические фаницы

(е - установленные, б - предполагаемые); 12 - предполагаемые разломы; 13 - величины удельных электрических сопротивлений; 14 - начальная точка расстановки электродов методом томографии удельных сопротивлений; 15 — точка электрического зондирования; 16—точка скважин.

В результате исследований были выделены поверхностные и промежуточные горизонты с мощностями от 2 м и более, отличающиеся от соседних по удельному сопротивлению в два и более раз. Такая детальность стала возможной благодаря плотной системе кажущихся сопротивлений и применяемым способам интерпретации. Блоковое строение участка явилось

значительным затруднением при выделении горизонтов и угольных пластов. Достоверная привязка их и установление зависимости удельного сопротивления от литологического состава пород была осуществлена с использованием данных бурения. На рис. 5 приведен один из геолого-геоэлектрический разрезов участка по профилю 2,

На участке «Центральном» (Бикинское буроугольное месторождение) методика применялась для выделения и прослеживания выходов угольных пластов под четвертичные отложения.

0.0

1.13^"

14.3:

25.9:

41 С

63.9:

Я, л

|

Рис. 6. Геолого-геоэлектрический разрез по профилю 1 участка Центральный.

1 - границы геоэлектр и чес к ого горизонта, отождествляемого с угольным пластом;

2 - точки заземлений электродов с шагом 4.5 м.

В результате интерпретации построены геоэлектрические разрезы, на которых показана закономерность изменения удельных сопротивлений на глубину до 50 м (при длине установки 400 м), С учетом данных об удельных сопротивлениях бурых углей на разрезах выделены горизонты, отождествляемые с угольными пластами. В качестве примера на рис, 6 представлен геоэлектрический разрез. Здесь горизонт, связанный с пластом угля, отмечен в интервале ПК 30+50 на глубине 12 м, а также ПК 100+260 на глубине залегания кровли от 15 м до 43 м. Мощность его меняется от 15 м до 38 м.

На участке «О до л го» (Амурская область) опытно-методические работы проводились с целью изучения структуры золоторудного месторождения и непосредственного прослеживания зон оруденения в геологическом разрезе. После привязки геоэлектрических слоев к геологической структуре была построена обобщенная геологическая блок-диаграмма. Результаты работ показали возможность детального изучения структуры золоторудного месторождения, за исключением небольших участков, где присутствуют многолетнемерзлые породы.

Преимущество методики полевых работ на всех участках определялось высокой производительностью и возможностью оперативной обработки практической материалов в реальном масштабе времени. Совместная

интерпретация данных электрической томографии с электрическим каротажем скважин позволила построить геоэлектрические модели, отражающие геологическое строение участков на глубинах до 50 м с максимальной достоверностью Для поисков и разведки месторождений на больших глубинах методика имеет существенный недостаток, связанный со снижением разрешающей способности, даже при наличии достаточно длинной базы многоэлектродной установки Поэтому дальнейшее развитие метода связано с разработкой систем наблюдений «скважина-поверхность»

В пятой главе рассмотрены результаты метода электрической томографии при инженерно-геологических изысканиях на различных площадях г Владивостока и Приморского края

При строительстве и эксплуатации различных сооружений, особенно в условиях сложного рельефа местности, решающее влияние на их устойчивость оказывают тонкие пропластки слабых и пластичных глинистых пород, выявление которых требует высокой детальности исследований К настоящему времени исследования проведены более чем на двадцати участках, разных по решаемым задачам

При оценке оползневых процессов на территории угольного разреза «Восточный» вначале были составлены фоновые геоэлектрические модели, подробное описание которых приведено в главе 3 На основе использования результатов моделирования получены сведения о степени горизонтальной неоднородности среды, определены предварительные значения геометрических и физических параметров и выработана стратегия инверсии практических матриц После интерпретации и привязки электрических горизонтов к литологическим комплексам построены 24 геолого-геофизических разреза на площади оползневого массива Здесь представлены разрезы по одному профилю (рис 6), на которых видны условия и характер залегания основных элементов и изменения их во времени На опасных участках, ближе к бровке борта разреза, инженерно-геологические элементы располагаются сверху вниз следующим образом

1 насыпные грунты (К^у), местами погребенный почвенно-растительный слой мощностью от 1 м до 10 м с удельным сопротивлением 34-100 Омм,

2 глины, суглинки, песчано-глинистые и песчано-гравийные отложения (а(31У) мощностью до 30 м с удельным сопротивлением от 14 до 34 Омм, глины и суглинки тугопластичные полутвердые имеют сопротивления 14-20 Омм, песчано-глинистые и песчано-гравийные отложения - 20-34 Омм, среди этого комплекса вблизи поверхности уверенно выделяются линзы мягкопластичных глин с сопротивлением 10-15 Омм и мощностью до 10 м,

3.глины мягкопластичные до текучепластичлых (N0, сильно обводнённые аргилитоподобные суглинки (Р3 - N1), мощность более 20 м, удельные сопротивления изменяются в пределах от 8 до 12 Омм,

ПР2

320 м

рЭ -.22

Ю 10 Рэ- N1

К-"^4 | 1С? IV I 5 [~а0^у] 6 I Р-мГ| 7 I х \ 8 | © ¡9

Рис. 7. Геолого-геофизические модели для профилей 2 и 5. 1 - насыпной фунт; 2 - глины, глинистые породы; 3 - песчано-глинистые отложения; 4 - арги л л итоп одобные суглинки; 5 - техногенные четвертичные отложения; 6 - отложения четвертичного возвраста, 7 - олигоцен-миоценовые отложения (глины и аргиллитоподобные суглинки); 8 - значения коэффициента анизотропии, 9 - значения удельного сопротивления.

Геологическое строение двух верхних комплексов характеризуется частыми фациальными замещениями и выклиниванием слоёв, Линзы мягкопластичных глин имеют в большинстве случаев локальное распространение, но со временем протяжённость их увеличивается. На представленном рисунке видно, что протяжённость линз на профиле через 6 месяцев увеличилась на 44 м. На других участках наблюдается иная последовательность залегания комплексов. Основным результатом исследований является выделение ослабленных контактов, связанных с

кровлей мягкопластичных глин и поверхностью водонасыщенных песчано-глинистых и песчано-гравийных пород

Работы по изучению структурно-тектонического строения на площадях будущего строительства проводились в г. Владивостоке и южном Приморье Предварительно по параметрам инженерно-геологических скважин, пробуренных непосредственно на участках или вблизи них, проводился расчёт теоретических матриц или зависимостей. Теоретические критерии выделения предполагаемых объектов и результаты анализа моделирования для каждого участка позволял определять эффективную сеть наблюдений, параметры расстановок и разрешающую способность метода В итоге исследований определялось пространственное залегание скальных пород и рыхлых грунтов по латерали и глубине; прослеживались зоны сильной трещиноватости скальных пород, интенсивного выветривания и обводнения, выделялись разрывные нарушения Полученные материалы о геологическом строении участков оказали существенную помощь на стадии проектирования и выбора типа фундамента.

Приведённые результаты исследований, изложенные в четвёртой и пятой главах, позволили обосновать последнее защищаемое положение, новые данные о структурно-тектоническом строении, полученные на основе геоэлектрических моделей для угольных депрессий, рудного района, оползневого склона угольного разреза и площадей проектируемого строительства, подтвержденные заверенными скважинами, показали повышенную информативность электрической томографии по сравнению традиционными модификациями метода сопротивлений.

Заключение

В диссертации содержится решение задачи по развитию метода электрической томографии, имеющее важное значение для повышения эффективности геофизических исследований при поиске и разведке полезных ископаемых, а также при инженерно-геологических изысканиях Основные результаты работы заключаются в следующем

1. Проведен обзор исследований электрической томографии и анализ цифровых многоканальных комплексов различных компаний Особенностями аппаратуры являются высокая производительность, наглядность изображения исходных данных, повышенная точность измерений и помехоустойчивость.

2 Установлено, что для обработки данных электрической томографии при предварительной оценке геологического строения среды чаще всего

используют лишь разрезы кажущегося сопротивления. Этой процедуры явно недостаточно для формирования фонового геоэлектрического разреза.

3. Решены прямые задачи, разработаны алгоритмы и программы расчета электрического поля для моделей горизонтально-слоистой среды и полупространства со сфероидом вращения при расположении источников и приёмников на поверхности и внутри среды.

4. Установлены закономерности аномальных полей, критерии обнаружения и прослеживания слоев и локальных объектов на основе анализа результатов моделирования электрического поля при различных соотношениях геометрических и физических параметров выбранных сред, разных расположениях многоэлектродных расстановок только на поверхности и на горизонтальных (поверхность) и вертикальных (скважина) профилях

5. Разработаны фоновые геоэлектрические модели оползневых массивов на участке угольного разреза «Восточный», составленные на основе априорной геолого-геофизической информации и анализа результатов математического моделирования, которые позволили установить закономерности поля при выделении ослабленных слоёв и условия обнаружения мягкопластичных глин среди четвертичных аллювиальных отложений и пластичных глин неогена совместно с обводнёнными суглинками, алевролитами и аргиллитами палеогена

6. Получены новые данные и показана эффективность электрической томографии при детальном изучении верхней части геоэлектрического разреза в процессе проведенных опытно-методических работ на нескольких участках Приморского края при картировании угленосных депрессий, на участке «Одолго» при детальном изучении структуры золоторудного месторождения, участках будущего строительства г. Владивостока и южного Приморья. Преимущество методики определяется высокой производительностью полевых работ, оперативностью обработки материалов и возможностью построения двумерной геоэлектрической модели, отражающей строение геологических разрезов с большей детальностью по сравнению традиционными модификациями метода сопротивлений

Список публикаций по теме диссертационной работы

Статьи

1 Условия выделения локальных объектов в геоэлектрическом разрезе по кривым ВЭЗ // Проблемы геологии, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых Дальнего Востока. - Владивосток изд-во ДВГТУ, 1995, выпуск 115, серия 4, с 56-59 (соавтор НГ. Шкабарня) 2. Алгоритм построения начальной модели геоэлектрического разреза // Проблемы геологии, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых Дальнего

Востока. - Владивосток изд-во ДВГТУ, 1997, выпуск 118, серия 4, с 96-103 (соавтор НГ. Шкабарня)

3 Метод вызванной поляризации при поисках месторождений в сложнопостроенных геологических средах // Проблемы геологии, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых Дальнего Востока Владивосток- изд-во ДВГТУ, 1997, выпуск 118, серия 4, с 88-95 (соавторы БЛ Столов, Н Г. Шкабарня)

4 Электрические зондирования северной части Амурского залива // Проблемы геологии, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых Дальнего Востока. - Владивосток изд-во ДВГТУ, 1999, выпуск 121, серия 4, с. 158-164 (соавторы В М Никифоров, В Б Залшцак, А С Цыганцов)

5. Особенности томографической электроразведки постоянным током // Проблемы геологии, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых Дальнего Востока. - Владивосток, изд-во ДВГТУ, 1999, выпуск 121, серия 4, с 179-186 (соавтор Н Г. Шкабарня)

6 Методика предварительной оценки нефтегазоносности перспективных площадей Приморского края (по данным электрических зондирований) // Тихоокеанская геология - Н • «Дадьнаука» 1999, том 18, №6, с. 26-34 (соавтор: Н Г Шкабарня)

7 Особенности строения осадочных бассейнов Приморского края (по данным электроразведки) // Тихоокеанская геология - Н • «Дальнаука» 2002, том 21, №5, с 62-67. (соавтор Н Г. Шкабарня)

8 Изучение структурно-тектонического строения угольных разрезов методом электрической томографии // Горный журнал - М: изд-во «Руда и Металлы», №12,2006,с 16-19 (соавторы ВЧ Мясник,ИВ Калинин,НГ Шкабарня)

9. Возможности и перспективы электрической томографии при детальном изучении геологической среды // ГеоИнжиниринг - Краснодар изд-во «ИнжГео», №1, 2006, с. 48-51

10 Обоснование новой технологии электрической томографии для разведки угольных месторождений // Горный журнал - М • изд-во «Руда и Металлы», 2007 (в печати)

11 Use of induced polarization method in search for deposits of composite geological media // Proceedings of the 30th International Geological Congress, vol 20 -Geophysics, VSP International Science Publishers, Netherlands, 1997, pp 130-139 (co-authors N G Shkabarnya, В L Stolov.)

Доклады и тезисы докладов

12 Автоматизированный способ построения начальной геоэлектрической модели И Тезисы докладов Первого Международного студенческого форума стран Азиатско-тихоокеанского региона (часть I), Владивосток, 1995, с 45-46

13 Геофизические методы контроля в технологии подземной газификации // Тезисы докладов XXXVII научно-технической конференции ДВГТУ, Владивосток, 1997, с 3-4. (соавтор. Б И Кондырев)

14. Томографическая электроразведка при изучении геологической среды // Тезисы докладов Дальневосточной региональной конференции молодых учёных "Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды", кн 1, Владивосток, 1997, с 164-167

15 Возможности томографической электроразведки для прогнозирования землетрясений // Сборник «Экология, безопасность жизнедеятельности, охрана

23

труда и устойчивое развитие Дальневосточных территорий» научных трудов региональной научно-технической конференции «Приморские зори», Владивосток, изд-во ТАНЭБ, 1998, с 27-30 (соавтор Н Г Шкабарня)

16 Томографическая электроразведка в системе мониторинга окружающей среды // Тезисы докладов международной конференции молодых учёных "Проблемы экологии и рационального природопользования стран АТР", Владивосток, 1999, с 107-108

17 Основы томографической электроразведки в системе горно-экологического мониторинга. Сборник трудов региональной научно-технической конференции «Приморские зори-99», Владивосток, изд-во ТАНЕБ, 1999 (соавтор НГ Шкабарня)

18 Возможности электрической томографии при детальной разведке угольных месторождений для открытого способа добычи Сборник материалов региональной научной конференции «Вологдинские чтения, Экология и безопасность жизнедеятельности», Владивосток, изд-во ДВГТУ, 2003 с 39-41

19 Технология анализа данных методов сопротивления и вызванной поляризации при разведке угольных месторождений Приморья Сборник материалов региональной научной конференции «Вологдинские чтения, Экология и безопасность жизнедеятельности», Владивосток, изд-во ДВГТУ, 2003 с 35-39

20 Прослеживание поверхности фундамента в пределах Лучегорского буроугольного разреза методом электрической томографии // Тезисы докладов научно-технической конференции ДВГТУ "Вологдинские чтения", Владивосток, 2004, с 87-88 (соавторы И В. Калинин, Н Г Шкабарня)

21 Use of electrometrie methods ш archaeological investigations in South Pnmorye // International symposium on resources, environment and disaster in Tumenjiang area. Abstract volume Changchun, China, 1996 pp 64-66 (co-authors NG Shkabarnya)

22 Use of induced polarization method in search for deposits of composite geological media // 30th International Geological Congress, Abstracts, vol 3, 1996, p 123 (coauthors N G Shkabarnya, В L Stolov)

23 Electric soundings in the Amur Bay and Peschany Penmsula // Young people & scientific technical progress Materials of the third international students' congress of the Asia-Pacific Region countries Vladivostok, 1999, part I, p 129-131 (co-authors A S. Tsygantsov, M.V Radchenko, V M Nikiforov)

24 Purpose of tomographic electrical exploration and the areas of its application // Materials of the third international students' congress of the Asia-Pacific Region countries Vladivostok, 1999,parti,p 134

25 Model of the investigated medium with researches by tomographic electrical exploration // Materials of the third international students' congress of the Asia-Pacific Regioncountnes Vladivostok, 1999,parti,p 132-133

26 Application of electrical tomography at detailed study of the upper part of geological section Changchun, China, 2002 pp 212-214

27 Interpretation of geological and geophysical data in the Pavlovsky open-pit coal mine Matenals of the fifth international young scholars' forum of the Asia-Pacific Region countries Vladivostok, 2003, p 330-334

И другие, всего 45 наименований

Шкабарня Григорий Николаевич Развитие метода электрической томографии на основе математического моделирования электрических полей

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано к печати 25.04 2007 Гарнитура «Times New Roman»

Формат60x84/16. Уел печ. л 1,63 Уч-изд л 1,45 _Тираж 100 экз Заказ № 69_

Отпечатано в ТОЙ ДВО РАН 690041, г Владивосток, ул Балтийская, 43

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шкабарня, Григорий Николаевич

Введение.

Глава 1. Основные положения метода электрической томографии: методика, аппаратура, обработка и примеры применения.

1.1. Методические особенности исследований.

1.2. Многоэлектродные аппаратурные комплексы и способы обработки данных томографических систем.

1.3. Примеры применения электрической томографии.

Глава 2. Математическое моделирование электрического поля в неоднородных средах.

2.1. Формирование модели изучаемой среды и системы наблюдений.

2.2. Поле в горизонтально-слоистой среде.

2.3. Поле в однородной среде со сфероидом.

Глава 3. Закономерности аномальных электрических полей.

3.1. Назначение анализа результатов математического моделирования полей.

3.2. Закономерности поля для слоистой среды.

3.3. Закономерности поля для среды с локальным объектом.

3.4. Формирование фонового геоэлектрического разреза оползневого массива и закономерности поля при выделении ослабленных слоев.

Глава 4. Основные результаты экспериментальных работ при разведке месторояедений полезных ископаемых.

4.1. Общие сведения о методике полевых работ.

4.2. Особенности геологического строения угольных депрессий и задачи исследований.

4.3. Исследование структурно-тектонического строения на участке «Фадеевском» (Приморский край).

4.4. Прослеживание поверхности фундамента и выходов угольных пластов на площади Бикинского буроугольного месторождения (Приморский край).

4.5. Картирование рудопроявлений золота на участке «Одолго» (Амурская область).

Глава 5. Информативность метода при инженерно-геологических изысканиях.

5.1. Обоснование применения метода при решении задач инженерной геологии.

5.2. Оценка структурно-тектонического строения оползневого склона угольного разреза.

5.3. Изучение структурных моделей на участках будущего строительства.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Развитие метода электрической томографии на основе математического моделирования электрических полей"

Актуальность работы. Метод сопротивлений, основанный на различии удельных электрических сопротивлений горных пород, применяется при решении разнообразных геологических задач в модификациях электрических зондирований или профилирований. В последнее десятилетие в Дальневосточном регионе актуальной стала задача разведки угольных месторождений для открытого способа добычи. Регион располагает значительными ресурсами каменных и бурых углей, которые могут удовлетворить его потребности в твёрдом топливе. Однако разведка месторождений в сложно-построенных геологических условиях требует большого количества дорогостоящих скважин. Применяемые ранее наземные геофизические исследования и, в первую очередь, модификации метода сопротивлений, не позволяли детально изучать разрез между редкими скважинами.

При решении задач инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии, где в настоящее время сосредоточены основные объёмы работ метода сопротивлений, исследования проводятся также в условиях сложного горизонтально-неоднородного строения с высоким уровнем неоднородности физических свойств горных пород. Применение методов электрического зондирования, а тем более элекгропрофилиро-вания, не отличается высокой эффективностью полученных результатов. Поэтому для оценки структурно-тектонического строения геологических сред необходимо применять новые модификации, которые позволяют получать исходные данные с высокой плотностью и точностью измеряемых параметров. Такая постановка проблемы обоснована ведущими электроразведчиками страны.

Создание многоканальной электроразведочной аппаратуры в конце прошлого столетия привело к широкому применению метода сопротивлений при размещении большого количества (до нескольких сотен) электродов на дневной поверхности. Новые многоэлектродные системы наблюдений, управляемые полевым компьютером, позволили перейти от редких электрических зондирований к плотным системам наблюдений с многократным использованием каждого электрода в процессе измерений. При полевых работах применяются высокопроизводительные помехоустойчивые цифровые комплексы. Такая технология работ названа электрической томографией (Electrical Resistivity Tomography).

Новые задачи и технологии потребовали теоретических разработок, связанных с математическим моделированием электрических полей для многоэлектродных систем наблюдений и изучением структуры поля. Известно, что "принцип моделирования изучаемых полей и сред - это важнейший принцип классической электроразведки" (Светов, Бердичевский, 1998). Моделирование необходимо использовать на всех этапах электроразведочных работ, в том числе для оценки их информативности. Поэтому для внедрения электрической томографии при детальном изучении геологических сред весьма актуальна проблема решения прямых задач в неоднородных средах при произвольном расположении источников и приёмников, формирования закономерностей аномальных областей в электрических полях и установления критериев обнаружения в разрезе искомых объектов.

Цель работы. Оценка информативности электрической томографии при изучении структурно-тектонического строения геологических сред на основе математического моделирования, установления закономерностей аномальных электрических полей и критериев обнаружения в разрезе искомых объектов.

Основные задачи исследования.

1. Обзор исследований электрической томографией с анализом возможностей многоэлектродной аппаратуры, методических особенностей проведения полевых работ и способов обработки томографических матриц.

2. Анализ основных положений по формированию геоэлекгрических моделей с учётом априорной геолого-геофизической информации и результатов моделирования полей.

3. Разработка вычислительных алгоритмов и программ расчета кажущихся сопротивлений для горизонтально-слоистой среды и однородной среды со сфероидом вращения при произвольном расположении электродов не только на дневной поверхности, но и внутри среды (в скважине).

4. Изучение особенностей пространственной структуры электрического поля по выбранным моделям и установкам, установление закономерностей аномального электрического поля при различных соотношениях геометрических и физических параметров сред.

5. Определение критериев обнаружения и прослеживания в разрезе промежуточных слоёв и локальных объектов при расположении электродов на поверхности и для системы наблюдений «скважина-поверхность».

6. Формирование фоновых геоэлектрических моделей оползневого склона на угольном разрезе «Восточный» и установление закономерностей поля при выделении ослабленных слоев.

7. Проведение опытно-методических работ с различными многоэлектродными комплексами, опробование методических приёмов, оценка информативности полевых матриц при изучении структурно-тектонического строения геологических сред на различных участках.

Идея работы заключается в использовании аппарата математического моделирования, закономерностей аномальных электрических полей и критериев выделения объектов при формировании фоновых геоэлектрических разрезов и определении предварительных параметров для исключения эквивалентных решений в процессе интерпретации томографических матриц.

Защищаемые положения.

1. Программно-математическое обеспечение расчёта кажущихся удельных сопротивлений для слоистых разрезов и сред с локальным объектом, произвольного расположения источников и приёмников на дневной поверхности и внутри среды (по стволу скважины) с применением аналитических и численных методов решения позволяет получать теоретические томографические матрицы и оценивать разрешающую способность разных систем электрической томографии при обнаружении и прослеживании слоёв и локальных объектов.

2. Основными критериями обнаружения и прослеживания слоёв, выклинивающихся пластов и локальных объектов в разрезе кажущихся сопротивлений служат форма аномальных областей, закономерности изменения градиентов поля, взаимное расположение нормальных и обратных по знаку аномальных значений кажущихся сопротивлений; предварительное определение геометрических параметров разреза производится по расположению изолиний в зоне их сгущения.

3. Фоновые геоэлектрические модели оползневых массивов, составленные на основе априорной геолого-геофизической информации и анализа результатов математического моделирования с конкретными параметрами, позволили устранить эквивалентные решения при формировании геоэлектрического разреза с учетом закономерностей поля и критериев выделения ослабленных слоёв.

4. Новые данные о структурно-тектоническом строении, полученные на основе геоэлектрических моделей для угольных депрессий, рудного района, оползневого склона угольного разреза и площадей проектируемого строительства, подтвержденные заверочными скважинами, показали повышенную информативность электрической томографии по сравнению традиционными модификациями метода сопротивлений.

Научная новизна.

1. Впервые разработано программно-математическое обеспечение (алгоритмы и программы) расчёта кажущихся удельных сопротивлений для горизонтально-слоистой среды и однородной среды со сфероидом при расположении питающих и приёмных электродов на вертикальных (скважина) и горизонтальных (дневная поверхность) профилях.

2. Установлены закономерности электрических полей томографических матриц в зависимости от геометрических и физических параметров выбранных моделей и систем наблюдений.

3. Определены критерии обнаружения и выделения промежуточных слоев, горизонтально-протяженных локальных неоднородностей и выклинивающихся горизонтов в геоэлектрическом разрезе.

4. Составлены фоновые геоэлектрические модели оползневых склонов на угольном разрезе «Восточный», определены закономерности поля при выделении ослабленных слоев, установлены условия обнаружения и прослеживания мягкопластичных глин среди четвертичных отложений и пластичных глин неогенового возраста.

5. Получены новые данные о структурно-тектоническом строении нескольких участков Приморского края при картировании угольных депрессий и решении задач инженерной геологии.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечивается созданными алгоритмами и корректной постановкой задач по обоснованию эффективности электрической томографии на основе базового принципа электроразведки -принципа моделирования изучаемых полей. Этот принцип позволил определить рациональную систему наблюдений, оценить разрешающую способность, критерии выделения изучаемых объектов и, в конечном счете, результативность новой модификации метода сопротивлений. Выбранные идеализированные модели, в первом приближении, отражают фрагменты геоэлектрических разрезов и имеют решения по определению потенциала в поле точечного источника. Такой подход вполне оправдан, поскольку анализировать результаты моделирования и определять закономерности поля в рамках сложных сеточных моделей трудно и неоправданно. Понижение размерности существенно упрощает построение модели начального приближения, поскольку уменьшает число определяемых параметров и, соответственно, неоднозначность решения обратной задачи.

Практическая ценность. Разработанные алгоритмы и программы оперативного расчёта полей кажущихся удельных сопротивлений для выбранных моделей и установок, результаты анализа характерных особенностей поведения полей, критерии обнаружения и прослеживания слоев и локальных объектов в разрезе позволяют выбирать рациональные системы наблюдений, создавать новые приёмы обработки полевых матриц, оценивать информативность электрической томографии при решении конкретных геологических задач. Проведенные опытно-методические работы позволили оценить эффективность электрической томографии при картировании углепер-спективных участков в Приморье, при изучении структуры золоторудного месторождения в Амурской области и инженерно-геологических изысканиях в строительстве и на угольных разрезах. Но области практического применения новой модификации обширны - это рудные объекты и их ореолы, линзы подземных вод, подземные карстовые полости, области техногенного загрязнения пород, различные археологические объекты и другие разнообразные локальные неоднородности естественного или техногенного происхождения. Причём задачами исследований является не только обнаружение и оконтуривание неоднородностей, но и слежение за динамикой развития неоднородностей во времени. Новый этап развития электрической томографии с применением систем наблюдений скважина-поверхность приведет к повышению эффективности метода сопротивлений и дальнейшему расширению его возможностей.

Личный вклад автора. Состоит в разработке прямых задач, создании алгоритмов и программ математического моделирования электрических полей для выбранных неоднородных сред и томографических систем наблюдений, анализе результатов математического моделирования и формирования закономерностей аномального электрического поля; установление критериев обнаружения и прослеживания промежуточных слоев в слоистом разрезе и локальных объектов во вмещающей среде; обосновании эффективности применения систем наблюдений «скважина-поверхность», формировании фоновых геоэлектрических моделей оползневых склонов угольного разреза.

В основу диссертационной работы положены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора за период с 1996 по 2006 годы, материалы полевых работ, организованных и проведенных автором в Приморье и Амурской области по заказам ФГУГП «Приморская поисково-съёмочная экспедиция», ЗАО «ЛуТЭК», ОАО «Приморскуголь», ДальНИИС РААСН, ЗАО «Артель «Инагли», ООО «Сейсмо-защита» и других организаций.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены в 45 печатных работах. Отдельные положения диссертации докладывались на 30-м Международном геологическом конгрессе (Пекин, 1996 г.), первом, третьем и пятом международных студенческих форумах стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 1995, 1999, 2003 гг.), конференциях Дзилиньского университета КНР (1996, 1999, 2002 гг.), научно-технических конференциях ДВГТУ (1994-2004 гг.), других международных и региональных конференциях. Результаты исследований автора вошли составной частью в отчеты научно-исследовательских работ по проектам Минобразования РФ «Исследование возможностей применения томографической электроразведки» (1998— 2000 гг.), «Методология электрической томографии при детальном изучении геологической среды» (2001-2003 гг.), «Разработка физико-математических основ метода электрической томографии при изучении геологических сред» (2002-2004 гг.), по грантам ГФЕН КНР "Разработка теоретических основ и методики определения положения аномалиеобразующих источников при электрических исследованиях в слож-нопостроенных условиях" и "Разработка теоретических основ, метода и техники томографии удельного электрического сопротивления", по гранту американского агентства международного развития «ЭкоЛинкс» (USAID) «Оценка альтернатив улучшения качества воды на Павловском угольном разрезе ОАО Приморскуголь» (2002 г.).

Материалы и отчеты полевых работ, проведенных автором в Приморье и Амурской области вошли составной частью в производственные отчеты по разведке участка Фадеевский, Одолгинского золоторудного поля и др., составили геофизические разделы 17 отчетов по инженерно-геологическим изысканиям г.Владивостока и Приморья.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Объём - 155 страниц текста, включая 52 рисунка и 4 таблицы. Библиографический список содержит 147 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Шкабарня, Григорий Николаевич

Заключение

В диссертации содержится решение задачи по развитию метода электрической томографии, имеющее важное значение для повышения эффективности геофизических исследований при поиске и разведке полезных ископаемых, а также при инженерно-геологических изысканиях. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен обзор исследований электрической томографии и анализ цифровых многоканальных комплексов различных компаний. Особенностями аппаратуры являются высокая производительность, наглядность изображения исходных данных, повышенная точность измерений и помехоустойчивость.

2. Установлено, что для обработки данных электрической томографии при предварительной оценке геологического строения среды чаще всего используют лишь разрезы кажущегося сопротивления. Этой процедуры явно недостаточно для формирования фонового геоэлекгрического разреза.

3. Решены прямые задачи, разработаны алгоритмы и программы расчета электрического поля для моделей горизонтально-слоистой среды и полупространства со сфероидом вращения при расположении источников и приёмников на поверхности и внутри среды.

4. Установлены закономерности аномальных полей, критерии обнаружения и прослеживания слоев и локальных объектов на основе анализа результатов моделирования электрического поля при различных соотношениях геометрических и физических параметров выбранных сред, разных расположениях многоэлектродных расстановок только на поверхности и на горизонтальных (поверхность) и вертикальных (скважина) профилях.

5. Разработаны фоновые геоэлектрические модели оползневых массивов на участке угольного разреза «Восточный», составленные на основе априорной геолого-геофизической информации и анализа результатов математического моделирования, которые позволили установить закономерности поля при выделении ослабленных слоёв и условия обнаружения мягкопластичных глин среди четвертичных аллювиальных отложений и пластичных глин неогена совместно с обводнёнными суглинками, алевролитами и аргиллитами палеогена.

6. Получены новые данные и показана эффективность электрической томографии при детальном изучении верхней части геоэлектрического разреза в процессе проведенных опытно-методических работ на нескольких участках Приморского края при картировании угленосных депрессий, на участке «Одолго» при детальном изучении структуры золоторудного месторождения, участках будущего строительства г. Владивостока и южного Приморья. Преимущество методики определяется высокой производительностью полевых работ, оперативностью обработки материалов и возможностью построения двумерной геоэлектрической модели, отражающей строение геологических разрезов с большей детальностью по сравнению традиционными модификациями метода сопротивлений.

Дальнейшее совершенствование технологии электрической томографии связано с разработкой методики наблюдений «скважина - поверхность». Обоснование такой методики наблюдений проведено на основании математического моделирования электрических полей. Установлено, что разрешающая способность систем наблюдений «скважина-поверхность» по сравнению с поверхностными томографическими системами резко возрастает. Границы, пласты и локальные объекты уверенно отмечаются локальными аномалиями, осложнёнными рядом экранных аномалий.

К сожалению, технологию электрической томографии с расположением системы наблюдений в скважинах и на поверхности невозможно опробовать в полевых условиях, поскольку скважинные кабели серийно не производятся. Поэтому в настоящее время проводится опытно-конструкторская разработка такого кабеля и его полевое опробование.