Содержание к диссертации
Список сокращений , 4
Введение 5
Состояние проблемы изменчивости естественного электрического поля Земли , 14
Главные принципы и основные методические приёмы исследований меняющихся во времени естественных электрических полей 31
Общие положения 31
Выбор конкретных геологических объектов и интервалов для длительных геофизических наблюдений 32
Методика и техника полевых наблюдений 36
Методика обработки полученных данных 41
3. Природное окружение проведенных натурных экспериментов 44
3.1. Структурно-геологические особенности 44
3.1.1. Протокоровые формации полиметаморфизованных основных
кристаллических сланцев длительного формирования
(sAR-MZ) 48
ЗЛ.2. Протокоровые формации динамометаморфизованных (бла-
стированных) гнейсо-гранитов длительного формирования
(yAR-MZ) 49
ЗЛ.З. Раннепалеозойский (?) обдукционный базальтовый комплекс 50
Позднемезозойский рифтогенный комплекс. Вулканогенная серия 51
Позднемезозойский рифтогенный комплекс. Осадочная серия 52
Основные черты тектоники и геодинамики 53
Выражение рассмотренных геологических структур в геофизических полях 58
Метеорологические условия, сопутствующие исследованиям 65
4. Меняющиеся во времени естественные электрические поля на примере
северо-западного борта Читино-Ингодинского рифта 72
4.1. Фазовые и коррелятивные связи параметров меняющихся в суточ
ном ритме естественных электрических полей с температурой воз
духа и атмосферным давлением 83
Данные 1997 года 84
Данные 1998 года 95
Данные 1999 года 106
Основные итоги изучения меняющихся в суточном ритме естественных электрических полей 117
4.2. Длиннопериодные меняющиеся во времени естественные электри
ческие поля 118
5. Методические приемы по проведению контрольных измерений в усло
виях меняющихся во времени полей при работах методом естественного
электрического поля 135
Заключение 144
Список литературы 147
Опубликованные работы 155
Список сокращений
ЕП - естественное электрическое поле ЕЭП - метод естественного электрического поля ЗабНИИ - Забайкальский научно-исследовательский институт КЭП- метод комбинированного электропрофилирования ОГМС - Областная гидрометеорологическая станция ПК - пикет ПР - профиль '
PC ВП - метод ранней стадии вызванной поляризации СЭП — метод симметричного электропрофилирования ТК МДГ - технологический комплекс методов динамической геофизики ЧитГТУ - Читинский государственный технический университет ЭТП — электрическая составляющая магнитотеллурического поля К — коэффициент взаимной корреляции Unn - потенциал ЕП Ратм - атмосферное давление t—температура воздуха
6UCJT, 5[сгг, 6Рсуг. — показатели максимальной суточной динамики потенциала ЕП, температуры воздуха, атмосферного давления
&идп., оЧдп., 5РДП. - показатели максимальной длиннопериодной динамики потенциала ЕП, температуры воздуха, атмосферного давления исут,, tcyr.) Рсут. — среднесуточные значения потенциала ЕП, температуры воздуха, атмосферного давления
U, t, Р — средние значения для всего интервала регистрации потенциала ЕП, температуры воздуха, атмосферного давления є ~ диэлектрическая проницаемость рк — кажущееся сопротивление г]к — кажущаяся поляризуемость
Введение к работе
Актуальность исследований. Проведенная работа нацелена на получение новых геологических данных в ходе изучения геофизических полей Земли во времени. Это направление является одним из приоритетных в развитии современной геофизики. Большинство появляющихся новых геофизических методов основано на характеристиках полей, зависящих от времени. Диапазоны изучения различных процессов варьируют во времени от микросекунд до десятков лет. Регистрируемые при этом данные несут информацию двух типов: квазистатическую - о строении геологической среды и динамическую - о протекании современных геодинамических процессов в слоях планеты. При решении задач, очерченных первым типом, используются непродолжительные наблюдения от микросекунд до десятков часов. Извлечение данных второго типа осуществляется путем более длительных исследований. На пересечении этих направлений находится изучение суточных изменений геофизических полей.
В середине прошедшего века А.С. Семеновым с коллегами [42] было открыто и начато изучение особого вида земных электрических полей, названного ими меняющиеся во времени поля. Как установлено этими исследователями, меняющиеся во времени поля проявляются на локальных участках и выражаются в интенсивных флуктуациях естественного электрического поля (ЕП) с периодом около 24 часов. В геологическом и геоморфологическом аспектах они отмечались над различными горными породами на свободных от крупной растительности склонах южной экспозиции. Природа происхождения этого вида полей объяснялась электрокинетическими явлениями, протекающими под воздействием изменяющейся в течение суток температуры поверхности Земли. Глубина распространения этого явления, по мнению авторов, ограничивается самой верхней частью геологического разреза (первые десятки сантиметров). Дальнейшие исследования, проведенные Ю.С. Рыссом [38], на основании установленной им приуроченности меняющихся во времени полей к гидротермаль-
но измененным породам и рудоносным участкам позволили выделить их как один из поисковых признаков. Важное практическое приложение эти поля получили в работах СЮ. Баласаняна. Большинство исследований под его руководством проводилось на рудных объектах различных типов с целью разбраковки аномалий, получаемых комплексом традиционных геофизических методов. Ряд наблюдений за меняющимися во времени полями был выполнен для решения инженерно-геологических задач, связанных с прогнозом развития мерзлотных и оползневых процессов, а также современной активности тектонических разломов.
Все перечисленные объекты являются зонами высокой концентрации двойных электрических слоев. Как показано Ю.С. Рыссом [37], в таких зонах в зависимости от термодинамических условий происходит накопление или высвобождение энергии, в частности, электрической. СЮ. Баласанян [9] называет такие объекты (зоны) энергоактивными. По предложенной им гипотезе меняющиеся во времени поля являются выражением энергоактивности геологических образований в ЕП и генерируются при воздействии на горные породы внешних факторов. Такими факторами могут быть суточные колебания температуры и атмосферного давления, гравитационные приливы и отливы, а также вариации магнитотеллурического поля и атмосферного электричества. При этом на ряду с приповерхностными электрокинетическими явлениями часть источников меняющихся во времени полей имеет глубинный характер. Натурные эксперименты позволили расширить круг геологических, геоморфологических и ландшафтных условий проявления этого типа полей. Выдвинуто предположение, что, являясь чуткими датчиками состояния геологической среды от приложенного внешнего воздействия, энергоактивные объекты перспективны для длительных наблюдений за современными геодинамическими (сейсмическими) процессами.
Все выше приведенные исследования меняющихся во времени полей базировались на непродолжительных наблюдениях длительностью первые сутки зачастую с не регулярными в течение суток замерами. Остается открытым во-
7 прос о закономерностях формирования меняющихся во времени полей в зависимости от внешних факторов.
Обширные эмпирические данные о вариациях ЕП накоплены в результате изучения сейсмоэлектрических явлений и теллурического поля Земли.' В настоящее время предложено более полутора десятков механизмов формирования флуктуации ЕП, но до сих пор нет единого понимания этого процесса. Отсюда вытекает и несогласованность понятийно-терминологической базы.
Помимо самостоятельной значимости, меняющиеся во времени поля выступают как помеха при проведении геофизических съемок методом естественного электрического поля (ЕЭП). С этой стороны в «Инструкции по электроразведке» [19] нет положений, регламентирующих действия при работах в условиях проявления этого типа полей.
Все перечисленные причины дают основание считать исследования меняющихся во времени естественных электрических полей интересными не только в научно-познавательном аспекте, но и актуальными в прикладном отношении.
Объект исследований — меняющиеся во времени естественные электрические поля.
Предмет исследований - пространственно-временные закономерности формирования меняющихся во времени естественных электрических полей.
Цели исследований:
Изучение меняющихся во времени естественных электрических полей в аспекте их взаимосвязи с геологическими, геоморфологическими и метеорологическими обстановками;
Разработка рекомендации по проведению контрольных наблюдений при работах методом ЕЭП в условиях интенсивных меняющихся во времени естественных электрических полей.
Основные задачи, решаемые в ходе исследований: 1. Выбор объектов для длительных наблюдений за меняющимися во времени естественными электрическими полями;
2. Адаптация методики полевых исследований меняющихся во времени
полей под длительные измерения;
Определение методических приемов обработки получаемых данных;
Изучение и анализ геологических, ландшафтно-геоморфологических и метеорологических условий проводимых натурных экспериментов;
Выявление закономерностей меняющихся во времени естественных электрических полей по результатам длительных наблюдений;
Оценка возможности проведения контрольных измерений в условиях высокого уровня меняющихся во времени естественных электрических полей, отвечающих по величине погрешности требованиям инструктивных документов.
Методы исследований. Сбор данных о меняющихся во времени естественных электрических полях и вариациях метеорологических факторов проводился в ходе натурных экспериментов. Полученные материалы подвергались математической обработке, включающей расчет параметров с целью количественной характеристики полей, статистический и корреляционный анализы. Графики полученных временных рядов и рассчитанных по ним параметров подвергались анализу путем их сопоставления между собой и с результатами геологической и геофизической съемки.
Достоверность. Фактический материал базируется на наблюдениях ЕП в течение трех летних полевых сезонов; в 1997 г. - 12 суток на 14 точках, в 1998 г. - 22 суток на 15 точках, в 1999 г. — 18 суток на 49 точках. Интервалы между замерами на отдельных точках были регулярными и составляли в 1997 и 1998 гг. 1 час, в 1999 г. - 2 часа. Оценка качества полевых исследований меняющихся во времени ЕП осуществлялась по средней разности основных и контрольных измерений, которая не превышала 5 мВ. Результаты наблюдений многократно повторены в течение трех полевых сезонов. Изучение геологических условий и квазистатических геофизических полей на опытном участке отвечает требованиям, соответствующим съемкам масштаба 1:10000.
9 На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Суточная составляющая меняющихся во времени естественных электрических полей как реально существующее геофизическое явление фиксируется на протяжении длительных временных интервалов и заключается в ярко выраженных квазисинусоидальных колебаниях значений потенциалов ЕП с периодом около 24 часов над энергоактивными геологическими зонами и объектами. Период колебаний и их размах не являются постоянными величинами. Существуют фазовые модуляции потенциалов ЕП во времени и пространстве. Внешними физическими причинами формирования меняющихся во времени естественных электрических полей являются изменения атмосферного давления, температуры и влажности приповерхностной части геологического разреза.
2.1 Гад энергоактивными зонами и объектами установлена длиннопериод-ная составляющая меняющихся во времени естественных электрических полей как объективно существующее геофизическое явление. Эта составляющая характеризуется периодом квазисинусоидальных вариаций около 20 суток.
Наблюдаются закономерные взаимосвязи длинопериодных вариации ЕП с колебаниями температуры, резкими перепадами атмосферного давления и чередованием сухих и дождливых периодов.
Величина показателя максимальной длиннопериодной динамики, как и соответствующего показателя суточной динамики, согласуется с амплитудой аномалий квазистатического ЕП. Наиболее высокие его значения присущи эпицентрам аномалий ЕП.
3. При съемках методом ЕЭП оптимальным интервалом проведения контрольных измерений является период с 10 до 13 часов местного времени. Контролю следует подвергать те отрезки профилей, которые были отработаны в эти же часы в ближайшие трое суток.
Научная новизна. В итоге проведенных исследований достигнут ряд результатов, определяющих научную новизну работы в целом:
1. Показана роль резких понижений атмосферного давления в формиро-
вании суточной составляющей меняющихся во времени естественных электрических полей. Наибольшие значения показателя максимальной суточной динамики ЕП приходятся на периоды аномального понижения атмосферного давления длительностью 1-2 суток с градиентами порядка 10 мм рт. ст./сут. В эти моменты времени также отмечаются наиболее интенсивные изменения коррелятивных и фазовых отношений потенциалов ЕП с температурой воздуха. Установлена дифференцируемость поверхности наблюдений по фазе суточных колебаний ЕП. Для разных точек пространства значения фазового сдвига могут быть более или менее 12 часов.
Намечена зависимость показателя максимальной суточной динамики ЕП от интенсивности дождей, а, следовательно, от количества осадков. Если непродолжительные дожди не сопровождаются существенным изменением вариаций ЕП, то'длительные ливни практически полностью подавляют суточные флуктуации ЕП.
Впервые описаны закономерности длиннопериодной составляющей меняющихся во времени естественных электрических полей. Эта составляющая поля представляет собой квазисинусоидальные колебания с периодом около 20 суток. Зафиксированный размах аномальных флуктуации достигал 170 мВ при фоновых значениях, не превышающих первые десятки милливольтов. Между длиннопериодными вариациями ЕП и изменениями среднесуточных значений температуры существует высокая корреляция. Форма вариаций ЕП нарушается в периоды интенсивных градиентов атмосферного давления, что выражается в смене коррелятивных связей ЕП с температурой, а также в появлении на временных развертках ЕП ступеней и высокочастотных всплесков. Кроме того, форма временных флуктуации ЕП диктуется чередованием сухих и ненастных периодов продолжительностью несколько суток: в дождливые периоды происходит повышение потенциалов ЕП, а в сухие — понижение. Показатель максимальной длиннопериодной динамики ЕП, как и соответствующий суточный показатель, увязывается с амплитудой аномалий квазистатического ЕП. Он выше в эпицентрах аномалий ЕП и понижается в их краевых частях.
4. Проведена оценка воспроизводимости данных традиционной съемки методом ЕЭП в условиях меняющихся во времени полей. Это позволило разработать методические приемы проведения контрольных измерений без увеличения объемов работ и их значительного усложнения.
Практическая полезность. Регистрация ЕП во времени осуществляется при наблюдениях за такими геодинамическими процессами, как оползне- и кар-стообразование, подготовка горных ударов и эволюция криолитозоны. Поэтому полученные в представляемой работе результаты применимы при проектировании мониторинговых исследований указанных явлений и адекватной интерпретации их материалов.
Высокая чувствительность энергоактивных образований к внешним факторам и приуроченность меняющихся во времени естественных электрических полей к палеосейсмодислокационным структурам определяет возможность применения данных об их поведении для разработки новых критериев прогноза сейсмической активности.
Установленная зависимость меняющихся во времени естественных электрических полей от длительности и интенсивности дождей вводит ограничение на использование этого типа полей в прикладной геофизике как поискового признака рудоносных участков.
Учет собранных данных призван повысить качество традиционных съемок методом ЕЭП как с позиций перспективной оценки аномалий ЕП, так и в аспекте воспроизведения (контроля) результатов работ.
Реализация результатов. Полученные в ходе исследований научные выводы и методические рекомендации рассмотрены на научно-технических советах Читинской лаборатории инженерной геокриологии, Забайкальского комплексного научно-исследовательского института, ООО НИИ «Северо-Восток Экология» и приняты ими для внедрения.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на научно--технических конференциях ЧитГТУ (Чита, 1998-2002 гг.), на Межрегиональной научно-технической конференции, посвященной 40-летию ЗабНИИ «Но-
12 вый век - новые открытия» (Чита, 2001 г,), на региональной конференции
«Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья» (Чита, 2000 г.). Материалы, приведенные в работе, обсуждались на научно-практических семинарах и расширенном заседании кафедры геофизики ЧитГТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из «Введения», пяти глав, «Заключения» и сопровождается списком литературы, состоящим из 83 наименований первоисточников. Все представлено на 156 страницах текста, проиллюстрированного 65 рисунками.
Выражаю признательность руководству ЧитГТУ и кафедры геофизики за представленную возможность выполнить работу в рамках госбюджетной темы № 1 ЧитГТУ «Исследования закономерностей изменчивости (динамики) геофизических полей в энергоактивных зонах Земли (на примере Восточного Забайкалья) с целью решения задач геологии и выработки критериев прогноза землетрясений» [76].
Автор благодарит научного руководителя заведующего кафедрой геофизики ЧитГТУ д.т.н. профессора А.П. Карасева за поддержку в проведении исследований и большую помощь в осмыслении полученных результатов, доцента кафедры геофизики ЧитГТУ с.н.с. НИС Е.М. Фалькина за дружеское содействие, создание геологической карты опытного участка, критические замечания и советы в ходе написания диссертации, д.г.-м.н. профессора СЮ. Баласаня-на, повлиявшего на выбор области моих научных интересов и тем самым предопределившего появление данной работы.
Большое спасибо сотрудникам кафедры геофизики Е.Ю. Юдицких, В.Ж. Добшинову, В.А. Кобыльскому, А.П. Иваненковой, Сф.М. Синице, С.А. Шишковой, B.C. Салихову, Т.Г. Дроковой, В.В. Трущенко, Л.А. Лихано-вой, С.Д. Кочневу, коллегам из лаборатории геофизических методов и аппаратуры ЗабНИИ и ее заведующему В.Н. Зезюлину за плодотворное участие на разных этапах выполнения работы, а также студентам-геофизикам ЧитГТУ,
^
*
помогавшим при сборе полевых материалов.
