Результаты экспериментальных исследований

IP-эффекта на Кольском полуострове.

Файнберг Э. Б., Абрамова Л. М., Барсуков П. О.,

Васильева Т. А., Кукса Ю. И., Хабенский Е. О.

 

Одной из причин электрофизической дисперсии является гетерогенность среды, характерная для пород, содержащих тонкие включения кальцита, кварца, битумов, пленки нефти, прослойки льда и пр. Чередование высокоомных прослоев с низкоомными приводит к возникновению емкостных эффектов. В электродинамике это явление известно как эффект Максвелла-Вагнера.

В работе Губатенко (1991) рассмотрена периодическая слоистая среда, состоящая из чередующихся слоев мощности d1 и d2 с проводимостями s 1, s 2 и диэлектрическими проницаемостями e 1, e 2. Путем усреднения ЭМП по физически малому объему среды показано, что от частоты зависят только нормальные проводимость и диэлектрическая проницаемость, а их тангенциальные составляющие не зависят.

В теории ВП используется феноменологический подход, позволяющий оперировать с явлением, не вдаваясь в его природу. Формула Cole-Cole хорошо описывает низкочастотную дисперсию (НЧД), связанную с вызванной поляризацией (ВП). Если нужно учесть еще и диэлектрическую поляризацию, то к формуле Cole-Cole необходимо добавить мнимое слагаемое , равное произведению частоты на диэлектрическую проницаемость на высоких частотах.

Теоретически и экспериментально доказано, что даже незначительные (0.25-0.5 %) проявления поляризации горных пород при среднем уровне их электрического сопротивления в 1000-10000 Омм могут создавать аномалии электропроводности, соизмеримые с эффектами от искомых хорошо проводящих пластов.

Целью проведения экспериментальных исследований на Кольском полуострове было доказательство или опровержение гипотезы о наличии хорошо проводящего слоя горных пород на глубинах от 10 до 12 км.

История вопроса.

На основе анализа результатов магнитотеллурических зондирований (МТЗ), частотных зондирований (ЧЗ) и зондирований методом становления поля (ЗС) с закрепленным источником, проведенных ранее на Кольском полуострове, а также модельных исследований метода переходных процессов (МПП) в сходном по геолого-геоэлектрическим условиям районе (гранитный массив Енисейского кряжа) было установлено явление эффекта вызванной поляризации (ВП) горных пород (ссылки ).

Главной задачей экспедиционных работ 1998 года было определение основных геоэлектрических параметров горных пород и установление уровней электромагнитных помех в районе предполагаемых глубинных зондирований. В то время, как электрические сопротивления толщ коренных пород были известны из результатов предшествующих исследований МТЗ, ЧЗ и оценивались в пределах от 1 до 7 к Омм в приповерхностном слое с увеличением до значений 10-20 кОмм на более глубоких горизонтах, информация о поляризационных и суперпарамагнитных свойствах пород отсутствовала. Однако в условиях высокоомных геоэлектрических разрезов именно эти свойства, как показывают новейшие исследования, определяют качество материалов ЗС и существенным образом влияют на эффективность и надежность интерпретации данных.

Для реализации поставленной задачи была успешно использована технология импульсных электромагнитных зондирований с применением незаземленных магнитных антенн. Провода антенны раскладываются на поверхности земли в виде квадратов со сторонами различной длины. Генератор вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов тока, пропускаемых через антенну с определенными интервалами. В паузах в этой же антенне измеряется ЭДС переходного процесса, индуцированная в изучаемом объеме горных пород. Информация о распределении электропроводности в исследуемом геоэлектрическом разрезе извлекается из наблюденных переходных характеристик электромагнитного поля на этапе обработки, проводящейся непосредственно в поле.

Глубинность исследований определяется степенью электропроводности изучаемого блока пород и предельным временем уверенной регистрации переходной характеристики ЭМ поля.

Возбуждение и прием ЭМ сигнала в одной и той же антенне-петле позволяет существенно снизить влияние геоэлектрических неоднородностей, находящихся вне предела площади антенны, что принципиально отличает используемую технологию от методов МТЗ или ЗС-ЧЗ с закрепленным источником и разносимыми приемными датчиками.

Для этих целей разработана и испытана компьютерная система стробирования и записи сигнала, позволяющая в полностью автономном режиме проводить длительные измерения переходных процессов.

Фильтрация полезного сигнала на фоне помех осуществляется при обработке записей на основе селекции данных по их статистическим свойствам на различных временных интервалах.

Полевые исследования были проведены в августе-сентябре 1998г. в районе однородного плохо проводящего Ковдорского блока на двух геофизических полигонах Геологического института Кольского научного центра РАН: Авва-губа и Уполакша. В этих точках ранее проводились работы методами ВЭЗ и МТЗ. Кроме того, вблизи полигонов расположены озера, на которых в зимнее время можно было бы в будущем раскладывать петли значительных размеров при проведении основного эксперимента. Импульсные зондирования проводились совмещенными приемно-генераторными петлями 50*50 и 100*100 м*м в диапазоне временных задержек от 4 до 16000 мкс. Для измерений использовалась аппаратура TEM-FAST RESEARCHER компании AEMR (Голландия). Всего было проведено порядка 20 зондирований.

Предварительная обработка данных проводилась в полевых условиях с помощью PC.

После обработки процессов становления поля по всем точкам измерений было установлено следующее:

1. кривые зондирований различаются между собой в пределах 10-15%;

2. фаза всех зарегистрированных процессов противоположна фазе токов индукции в совмещенных антеннах во всем временном диапазоне;

3. амплитуды наблюденных процессов пропорциональны кубу стороны

петли, в то время как для процессов индукции в ближней зоне характерным параметром является пропорциональность стороне петли в четвертой степени (квадрат площади антенны);

4. cпад процессов становления поля во временном диапазоне 4-300 мкс пропорционален -t(7/2), а в диапазоне t > 500 мкс - t(5/2);

5. уровень помех после фильтрации не превышает 5-6 мкВ в петле 100*100 м*м и не более 1-2 мкВ в петле 50*50 м*м;

6. суперпарамагнитные эффекты, обусловленные процессами магнитной вязкости горных пород, зарегистрированы не были.

Материалы зондирований были проинтерпретированы с помощью программы IPM-TEM (AEMR) в рамках модели Cole-Cole с оценкой частотно-дисперсионных параметров .

Получены следующие оценки параметров горных пород в районе проведения полевых работ:

1) поляризуемость пород от 10 до 50%;

2) постоянная времени - 1-10 мкс;

3) логарифмическая скорость спада процесса 0.45-0.55.

После оценок параметров модели Cole-Cole, обеспечивающих максимальное приближение модельных и практически полученных данных при различных размерах приемно-генераторных антенн, была смоделирована и рассчитана ситуация зондирований с использованием генераторной петли размером 4*4 км*км и различных комбинаций приемных антенн - от совмещенной до точечной.

В качестве предполагаемого геоэлектрического разреза моделировался разрез с проводящим слоем, имеющим удельное электрическое сопротивление порядка 100-300 Омм на глубине от 8 до 12 км. Удельное сопротивление вышележащей толщи составляло 5 -10 кОмм. Использована поляризационная модель с параметрами, определенными в процессе экспедиционных работ .

Проведенные расчеты показали, что при характеристиках поляризации, определенных в эксперименте и заложенных в параметры модели, регистрация эффекта от искомого глубинного проводника ( то есть его обнаружение) фактически невозможны ни при каких разумных размерах и конфигурациях приемо-генераторных установок из-за того, что приповерхностные поляризационные процессы продуцируют мощный отрицательный "паразитный" сигнал становления во всем временном диапазоне. Скорость убывания поляризационных процессов и индукционных процессов на поздних стадиях одинакова - t(5/2). Единственная возможность увеличить соотношение "индукция / поляризация" - это увеличивать размер приемо-генераторной установки (поскольку именно здесь имеется различие в зависимости амплитуд сигналов от размера установки: соотношение "индукция / поляризация" пропорционально стороне петли).

Для достижения приемлемого для надежной интерпретации уровня соотношения "индукция / поляризация" необходимо, по расчетам, увеличить размер приемно-генераторной петли до 10*10 км*км.

Однако в этом случае шумовой сигнал на входе приемной петли в частотном диапазоне 0-10 Гц может превысить несколько десятков вольт, в то время как полезный сигнал даже при токе в петле 10 А (что является весьма трудной технической задачей при столь больших размерах установки), составит 10-40 микровольт. Понятно, что выделить такой сигнал из шума очень трудно.

Таким образом, экспериментальные измерения поляризационных свойств горных пород в предполагаемом районе работ позволили смоделировать возможные результаты зондирований с использованием больших приемно-измерительных петель.

Результаты моделирования, к сожалению, не позволяют надеяться на успех при выделении глубоких проводящих горизонтов.

Разработана и применена для анализа полевых наблюдений оригинальная методика разделения эффектов вызванной поляризации и эффектов индуцированных токов, связанных с распределением электропроводности в исследуемых геологических структурах Кольского полуострова.

Наиболее важной и сложной проблемой при достижении поставленных в Проекте целей является разделение в наблюденных данных эффектов индукционных токов, связанных с распределением электропроводности в разрезе, и эффектов ВП, обусловленных частотной зависимостью электропроводности горных пород. Необходимость разделения диктуется тем, что названные эффекты совершенно по-разному отражают строение изучаемого объекта. Так индукционные токи подчиняются принципу скин-эффекта: с уменьшением частоты (увеличением времени) электромагнитное поле проникает дальше в глубь Земли. Используя это свойство, можно управлять глубиной зондирований путем изменения частоты или времени регистрации.

Проявление же поляризационных эффектов на шкале частоты или времени практически не зависит от геометрии расположения поляризующихся объектов в разрезе, а определяется лишь собственными частотными свойствами этих образований.

Учитывая изложенное, при наличии в зарегистрированных переходных характеристиках как индукционных, так и поляризационных составляющих, интерпретация, основанная исключительно на принципе скин-эффекта, может давать существенные неконтролируемые ошибки. Для оценки влияния поляризационных эффектов на результаты ЗС создана специальная компьютерная программа.

На основе оценок значимости поляризационных эффектов разработана оригинальная технология полевых исследований.