Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Азимутальное электропрофилирование над средами с одним и двумя направлениями трещиноватости 12
1.1. Современный уровень изученности анизотропных сред 12
1.2. Модели трещиноватых анизотропных сред
1.2.1. Анизотропное полупространство с одной системой трещин 21
1.2.2. Полупространство с двумя взаимно перпендикулярными системами вертикальных трещин 24
1.2.3. Полупространство с двумя системами вертикальных трещин, пересекающихся под произвольным углом 26
1.2.4. Расчет кажущегося сопротивления над анизотропными средами 28
1.3. Физическое моделирование анизотропных сред 32
1.3.1. Модель анизотропной среды с одной системой трещин 35
1.3.2. Модель среды с двумя взаимно перпендикулярными системами трещин 37
1.3.3. Модель среды с двумя системами трещин, пересекающимися под углом 60
1.4. Зоны трещиноватости пород как неоднородная среда 41
1.5. Выводы к Главе 1 45
Глава 2. Мерзлые породы, содержащие шлировые льды, как анизотропная среда 46
2.1. Проблемы интерпретации геофизических данных, полученных в зоне вечной мерзлоты 48
2.2. Текстурные особенности и электрические свойства мерзлых пород 51
2.3. Моделирование электрического поля над средами со шлировой критекстурой 57
2.4. Анизотропные модели сред с шлировой критекстурой 61
2.5. Выводы к Главе 2 67
Глава 3. Методика применения многоэлектродной электроразведочной аппаратуры для определения анизотропных свойств грунтов 68
3.1. Обзор существующих методик изучения анизотропных сред 68
3.2. Описание методики применения многоэлектродной электроразведочной аппаратуры для определения анизотропных свойств грунтов
3.3. Примеры применения методики 87
3.4. Выводы к Главе 3 93
Заключение
Список литературы
- Модели трещиноватых анизотропных сред
- Полупространство с двумя системами вертикальных трещин, пересекающихся под произвольным углом
- Текстурные особенности и электрические свойства мерзлых пород
- Описание методики применения многоэлектродной электроразведочной аппаратуры для определения анизотропных свойств грунтов
Модели трещиноватых анизотропных сред
Более интересными поэтому оказываются встречные кривые дипольно-осевого зондирования (Ведринцев Г.А., Кроленко Н.Д., 1965) и двусторонние графики электропрофилирования (Блох И.М., 1957, 1962) для установок, которые пересекают наклонный контакт приемными или питающими диполями, ориентированными вкрест его простирания. Для таких установок можно выявить некоторые общие закономерности качественного порядка, позволяющие судить о направлении падения контакта. Так, например, если в остром двугранном углу, образованном земной поверхностью и плоскостью контакта, находится среда пониженного сопротивления, то над контактом наблюдаются четкие максимумы кажущегося сопротивления, а в случае среды повышенного сопротивления - четкие минимумы. Отмеченная закономерность сохраняется и на двусторонних графиках электропрофилирования, получаемых дипольно-осевыми (Блох И.М., 1957) и экранированными установками. Аналогичными особенностями характеризуются и встречные кривые дипольно-осевого зондирования (Ведринцев Г.А., Кроленко Н.Д., 1965) и встречные кривые съемки градиентов потенциала точечного источника тока (Шемякин Е.А., 1962). Чем больше мощность наносов, чем ниже их сопротивление, чем меньше контраст сопротивлений контактирующих сред и чем меньше разносы установок, тем меньше сохраняются закономерности, свидетельствующие о направлении падения контакта (Шемякин Е.А., Яковлев А.В., 1968). При высокоомных наносах, мощность которых меньше разноса установки в пять раз, максимумы или минимумы кажущегося сопротивления над контактом на модельных графиках проявляются еще довольно четко, причем возможность их выявления многократно подтверждалась полевыми экспериментами (Блох И.М., Олофинская В.Н., 1959; Блох И.М., 1962; Шемякин Е.А., 1962).
Известны примеры использования «парадокса анизотропии» для решения некоторых задач, связанных с определением основного направления трещиноватости и сланцеватости пород (Горелик А.И., Сахарова М.П, 1951; Огильви А.А., 1956) и выявлением простирания угленосных свит (Шейнманн СМ., 1941).
Оценка зависимости коэффициента анизотропии от соотношения интенсивностей трещиноватости по разным направлениям сделана в работе (Редозубов А.А., Сысков С.С, 1973). Влияние секущих систем трещин на величину коэффициента анизотропии аналогично влиянию уменьшения соотношения сопротивлений каркаса и заполнителя. Сопротивление каркаса определяют по измерениям за пределами зоны трещиноватости (Огильви А.А., 1990). Удельное сопротивление воды, заполняющей трещины может быть задано исходя из известных гидрогеологических условий. Имея данные о сопротивлении каркаса и сопротивлении воды, находящейся в трещинах можно оценить относительный объем заполненных водой трещин (ПетряевВ.Е. и др., 1996).
Для оценки вертикальной трещиноватости известняков на Блиново-Каменском месторождении бокситов в 1960 году под руководством А. А. Огильви были выполнены работы Б.Л. Берри, который предложил и успешно применил метод количественной интерпретации данных, электрометрических круговых наблюдений, на двух участках. После некоторых вычислений были найдены объемы трещин определенного направления (Берри Б. Л., 1963).
Изучение анизотропии связывается с попыткой использования результатов лабораторных измерений на образцах для определения трещиноватости и направления слоистости, а также для анализа палеонапряжений и количественной оценки тектонических нагрузок. Выявление трещиноватости представляет интерес не только в горном деле, но и при изучении процессов, связанных с возникновением месторождений полезных ископаемых. В статье (Apparatur..., 1986) излагаются теоретические основы и принципы измерения анизотропии комплексного электрического сопротивления образца горной породы, рассматриваемого как диэлектрик, аппроксимируемый параллельным включением емкости и сопротивления. В Центральном институте физики Земли (г. Потсдам) в 1986 году разработана измерительная электрометрическая аппаратура на основе четырехэлектродной установки, которая позволяет определять анизотропию, непрерывно регистрировать изменения комплексного электрического сопротивления вращаемого с постоянной скоростью образца в зависимости от угла вращения. В идеальном случае форма кривой отвечает синусоиде с двумя максимумами и минимумами с расстоянием между соседними экстремумами 90 градусов. Трещиноватость диагностируется нерегулярной формой кривой с крутыми зубцами.
Часто в иностранной литературе цитируется работа Taylor and Fleming (Taylor R.W. & Fleming A.H., 1988), в которой представлен анализ изучения анизотропных пород методом кругового электропрофилирования более чем на 50 участках в США, штат Висконсин. В этой публикации авторами предлагается систематизация круговых диаграмм кажущегося сопротивления в соответствии с результатами измерений роз трещиноватости на участках работ. При этом выделяется группа объектов с двумя направлениями трещиноватости, круговые диаграммы кажущегося сопротивления, над которыми имеют несколько максимумов, и каждый из этих максимумов соответствует направлению развития системы трещин. Анализ таких диаграмм приводит авторов статьи к выводу, что при азимутальном электропрофилировании над объектами с двумя направлениями трещиноватости диаграммы кажущегося сопротивления являются суммой двух эллипсов, каждый из которых вытянут вдоль одного направления развития трещин. Стоит отметить, что этот эффект достаточно слаб - на большинстве объектов разница между максимальными и минимальными значениями кажущегося сопротивления не превышает 5%, что обычно соизмеримо с точностью наблюдений.
С.А. Батугин в своей монографии (Батугин С.А., 1988) дает аналитическое описание системной трещиноватости пород, детально разбирая случаи газового и жидкого заполнителя. Автором подробно рассматривается вопрос проявления трещиноватости в анизотропии УЭС массива горных пород. Влияние трещиноватости необходимо учитывать при оценке истинного сопротивления породы.
В 1990 году появилась работа, посвященная изучению диэлектрической анизотропии, вызванной линейно-ориентированными трещинами (Dielektric..., 1990). Обнаружено для многих типов пород, что при пористости 2% диэлектрическая анизотропия составляет от 8 до 30% и более, если трещины заполнены водой. И пренебрежимо мала в случае незаполненных трещин. Оценка анизотропии трещиноватой породы может быть сделана путем элементарных расчетов, например, с помощью формул, приведенных в работе (Горюнов И.И., 1964).
В работе (Петряев и др., 1996) указывается, что одной из наиболее подходящих установок для изучения зон трещиноватости является крестообразная установка, хорошо зарекомендовавшая себя при картировании анизотропных пород в меднорудных районах Среднего Урала и Башкирии (Редозубов А.А., Сысков С.С, 1989). Авторы отмечают малую (по сравнению с другими установками) чувствительность этой установки к неоднородностям среды по сопротивлению и большую (по сравнению с симметричной установкой) глубину исследований. Имеется возможность получать значения коэффициентов анизотропии и сопротивлений анизотропных зон, близкие к истинным, по которым в дальнейшем возможна оценка коэффициентов трещиноватости и других параметров этих зон. Для оценки коэффициента анизотропии выявленных анизотропных зон, перекрытых слоем песчано-глинистых отложений, рекомендуется применять крестообразную установку в варианте зондирования (Сысков С.С, Сковородников И.Г. 1987). По результатам интерпретации зондирований, по методике изложенной в работе (Сысков С.С, Петряев В.Е., 1996), возможна оценка истинного коэффициента анизотропии зоны, мощности анизотропной коры выветривания и определение коэффициента трещиноватости. Приведены практические результаты картирования анизотропных пластов с крестообразной установкой в Н. Туринском районе Свердловской области. Откартированы основные анизотропные зоны, в том числе и слабой интенсивности, при коэффициентах анизотропии менее 1.3. По перерывам корреляции анизотропных пластов и контактов пород с различным сопротивлением установлено протяженное тектоническое нарушение, подтвержденное бурением.
В последние годы многие авторы занимаются изучением трещиноватости пород с помощью азимутальных измерений естественного потенциала. Азимутальные диаграммы ЕП лучше совпадают с диаграммами трещиноватости, построенными по геологическим наблюдениям, и имеют в этом преимущество перед диаграммами сопротивлений. Кроме того, диаграммы ЕП выделяют те направления, по которым действительно происходит процесс фильтрации (Wishart D.N. et al., 2006, 2008, 2009, Шевнин B.A. и др., 2013).
Большое количество исследований посвящено изучениям совместного влияния на данные азимутального электропрофилирования анизотропии и неоднородностей (Bolshakov et al., 1995, 1997; Watson K.A., Barker R.D., 1998, 1999, 2002, 2005, 2010; Busby J.P., 2000). Эффекты от анизотропии и неоднородностей очень схожи и их достаточно легко спутать, поэтому важной задачей является разработка инструментов по разделению этих эффектов.
Обзор существующих методик измерения анизотропии и способов интерпретации данных будет подробнее рассмотрен в Главе 3.
Большинство из вышеописанных работ посвящены изучению слоистости или трещиноватости в рамках моделей одноосной анизотропии. При этом более сложные среды, такие как, например, породы с двумя системами развития трещиноватости, изучены в электроразведке достаточно слабо. Знание о поведении электрического поля в таких средах было бы полезно для решения задач гидрогеологии. Для более детального изучения возможностей применения азимутального электропрофилирования над сложными анизотропными средами, автором настоящей диссертации были проведены теоретические расчеты, проведено физическое и математическое моделирование для различных горизонтально-неоднородных сред.
Полупространство с двумя системами вертикальных трещин, пересекающихся под произвольным углом
Экономическое развитие нашей страны часто сталкивается с необходимостью освоения новых территорий и более подробного изучения уже освоенных. Около половины территории Российской Федерации располагается в зоне вечной мерзлоты, причем эти места богаты полезными ископаемыми: до 42% мировых запасов газа и 13% нефти, а также 40% мировых запасов никеля и платины сосредоточены в Арктической зоне. В этих районах построены крупнейшие металлургические предприятия (Норильск, Кольский полуостров), предприятия бумажной промышленности (Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат) и др. Но в границах криолитозоны установка инженерных сооружений сталкивается с немалыми трудностями. Для полноценного и безопасного использования инженерных сооружений на данной территории, необходимо тщательное изучение ее свойств. Это помогает грамотному составлению прогнозных оценок, позволяющих избежать последствий, связанных с процессами, происходящими в криолитозоне и способными нанести значительный ущерб. Свойственные для данной территории экзогенные геологические процессы могут привести к выпучиванию свай, неравномерной осадке зданий, деформации искусственных насыпей, полотен дорог и многому другому. В силу вышеизложенного становится понятной актуальность изучения криолитозоны.
Сравнительный анализ различных методов исследования наглядно показывает, что для изучения геологических объектов огромную роль играет использование геофизических методов, основными достоинствами которых являются снижение стоимости и времени изучения, возможность оценки геологического строения и характеристик пород путем использования физико-геологической модели, возможность наблюдения за быстро и медленно протекающими геологическими процессами во времени с любой периодичностью, в том числе в автоматическом режиме, и многое другое.
Начало применения геофизики для исследования мерзлых пород приурочено к активному освоению северных районов России, совпадающему с развитием и успешным применением геофизических методов разведки полезных ископаемых. При этом на данную тему существуют только редкие статьи и монографии, датированные тем временем. Только в последние 15-30 лет потребность в объединении и систематизации накопленных знаний привела к появлению учебников и научной литературы. В первую очередь это книги по мерзлотоведению, где геофизическим методам уделено особое внимание: (Общая геокриология, 2002; Основы геокриологии, 1995). Большую часть литературы по данной тематике можно разделить на два типа. К первому типу относятся работы, призванные описать преимущества и недостатки тех или иных геофизических методов исследования криолитозоны, применяемых для различных целей. Такая литература больше связана с методикой проведения геофизических работ (Зыков Ю.Д., 2007; Якупов B.C., 2008; Ершов Э.Д., 1990).
Второй тип работ связан с изучением физических свойств мерзлых пород. Такие книги содержат анализ большого количества лабораторных и полевых данных (Фролов А.Д., 2005; Якупов B.C., 2008; Сахаров И.И., 1994, Боголюбов А.Н. и др., 1977).
Стоит отметить также узкоспециализированные публикации схожие с тематикой данной работы. Изучение мерзлых пород с различной криотекстурой ведется достаточно давно. Так, в работе А.Н. Боголюбова на основе интерпретации порядка 40 кривых ВЭЗ методом двух составляющих показаны различия абсолютных значений и зависимости УЭС от типа криотекстуры (Основы геокриологической..., 1973). Подобные результаты были получены и А.А. Ананяном на образцах (Ананян А.А. и др., 1977). Исследование сред со шлировой криотекстурой было проведено B.C. Якуповым, но оно содержало в основном теоретические расчеты (Якупов B.C., 2008). При экспериментальных измерениях на образцах мерзлых слоистых пород В.П.Добровольским впервые были получены количественные данные о коэффициенте анизотропии для случая, подобный которому ниже рассмотрен в работе (Добровольский В.П., 1961).
Зарубежные публикации в области геофизических методов исследования криолитозоны сильно разнятся в зависимости от региона, в котором работает автор. Так, большинство европейских публикаций посвящено изучение мерзлоты в Альпах (Daniel Vonder Muhll et al, 2002; Hauck C. et al, 2003; Kneisel C. et al, 2008). Исключение составляют датские ученые, исследующие льды Гренландии (Ingeman-Nielsen Thomas, 2005). Североамериканские исследователи имеют дело с мерзлотой не только скальных пород, но и осадочных, что увеличивает количество публикаций на эту тему, а также стоит отметить регулярно проводимую конференцию International Conferences on Permafrost (Permafrost...,2003, 2008, 2012).
Одной из актуальных проблем изучения мерзлых зон методами геофизики является сложности в интерпретации полученных данных и их сопоставление с литологическим составом грунтов. Как известно, мерзлый грунт обладает более высоким удельным электрическим сопротивлением по сравнению с грунтом такого же литологического состава в талом состоянии. При этом изучаемый разрез может быть сложен грунтами, сильно отличающимися по сопротивлению. Таким образом, одни и те же наблюденные значения УЭС могут соответствовать как мерзлым грунтам, так и талым, но другого литологического состава. Решение этой проблемы лежит в области комплексирования геофизических наблюдений, бурения инженерных скважин и лабораторных исследований. Но зачастую результаты бурения скважин, лабораторный анализ поднятого керна не находят отражения в наблюденном поле УЭС.
Ярким примером такой проблемы может служить опыт проведения геофизических исследований на ряде нефтяных месторождений вблизи г. Новый Уренгой. Регион находится в Тюменской области, немного южнее Северного Полярного круга. Исследуемый участок располагается в субарктической зоне тундры. Климат здесь континентальный, характеризуется особенно резкими изменениями в течение года, длительной, холодной и суровой зимой с сильными бурями и частыми метелями; самая низкая зимняя температура -56С. Осадков зимой выпадает мало; снежный покров не превышает 50-60 сантиметров. За лето почва оттаивает всего на 50-70 сантиметров. Лето короткое - в среднем около 68 дней. Летом, в июле, температура может повышаться на всей территории до +30С, но уже в сентябре температура ниже нуля. Среднегодовая температура воздуха отрицательная -2.5С. Исходя из этих факторов, территория района работ - зона развития сплошной многолетней мерзлоты (Методика мерзлотной..., 1979) и именно это определяет особый подход при проектировании всех инженерных сооружений на данной территории.
Целью инженерно-геофизических исследований являлось изучение нескольких площадок, проектируемых под строительство кустовых скважин, а также линейных участков под прокладку эксплуатационных трубопроводов местного значения. Комплекс работ включал в себя бурение инженерных скважин, лабораторные исследования, температурный каротаж, вертикальные электрические зондирования, электротомографию, электропрофилирование.
В целом разрез изучаемого района сложен песчано-глинистыми отложениями, преимущественно суглинками. Приповерхностный слой представляет собой торфяные отложения с включениями растительных остатков мощностью не более 2.0 м. Далее следует переслаивание песков и суглинков разной степени зернистости, плотности и промерзания. Мощности слоев варьируют от 0.5 до 20 м. Стоит отметить, что инженерными скважинами вскрыты слои различной льдистости, в том числе содержащие шлировые льды (Рисунок 2.1).
Текстурные особенности и электрические свойства мерзлых пород
В.А. Шевнин (Шевнин В.А., Ракутухани Ф., 1992), рассматривает вопрос о выборе установок оптимальных по информативности, помехоустойчивости и производительности. Автором для круговых наблюдений предложена установка «триполь» (Т-установка) или двухкомпонентная. Эта установка представляет собой сочетание установки AMN и двух Г-образных установок. Экспериментальные результаты показывают некоторое преимущество Т-установки перед традиционными. В.А. Шевнин отмечает, что преимущества Т-установки перед дипольной экваториальной становятся особенно заметны при погружении источника тока в скважину. Эллипсы кажущегося сопротивления становятся асимметричными и по их характеристикам можно определить угол падения анизотропной толщи. По номограмме, приведенной в работе, используя значения характеристик круговых диаграмм для Т-установки, с погруженным питающим электродом, определяется угол падения и истинный коэффициент анизотропии. Таким образом, рассмотрена возможность количественной интерпретации данных круговых измерений. Развитием этого направления явились Y- установки и их частный случай -стреловидная установка (Bolshakov et al., 1998), обладающая наибольшей чувствительностью к анизотропии.
Мусатов, Перваго и Шевнин (Mousatov et al., 1999, 2000, 2002, 2003) предложили ряд так называемых тензорных установок, в которых используется группа измерительных электродов (до 9 штук) и измеряются первые и вторые производные потенциала для оценки тензора удельного сопротивления (в анизотропной среде сопротивление является тензором). Преимуществом тензорных установок является возможность оценки параметров анизотропной среды без вращения установки, в одном, произвольном азимуте. Это позволяет проводить картирование среды с закрепленными питающими электродами при перемещении по площади группы измерительных электродов без вращения установки.
Для определения направления и угла падения однородно-анизотропных пород предложено несколько способов, основанных на изучении магнитного поля точечных источников тока. Отличие этих способов в выборе изучаемой характеристики поля и в методике измерений.
К этой группе относятся в первую очередь модификации метода петли (Дахнов В.Н., 1947, 1953). Первоначально в этом методе измерялась вертикальная составляющая магнитного поля двух точечных заземлений посредством петли, разложенной на поверхности земли симметрично относительно провода питающей линии, по которой пропускался пульсирующий ток низкой частоты. Однако, из-за необходимости определять знак вертикальной составляющей магнитного поля, отражающий преимущественное направление плотности тока в среде (направление падения пород), схема измерений была усложнена. С целью упрощения процесса измерений (компенсации ЭДС, наводимой в петле) предлагалось, в частности, использовать в качестве приемного (Короленко И.И., 1958) или компенсирующего (Дахнов В.Н., 1953) контура рамы с большим количеством витков провода, а также установки с двумя рамами - метод сопряжения рам (Дахнов В.Н., 1947).
Интерпретация данных метода петли основана на расчетах электрического и магнитного полей точечного заземления, расположенного на поверхности однородного анизотропного полупространства и питаемого постоянным током. Показано, что совместное использование результатов измерений вертикальной составляющей магнитного поля и круговых измерений электрического поля позволяет однозначно определять угол падения пород (Дахнов В.Н., 1947). Измерения только магнитного поля дают возможность лишь оценить их направление падения.
Метод петли довольно широко применялся (Дахнов В.Н., 1947; Короленко И.И, 1958) при структурном картировании электрически-анизотропных толщ в районах развития осадочных пород (Крым, Северный Кавказ, Дагестан, Туркмения и др.). Однако сложность производства работ, несовершенство аппаратуры и неоднородность реальных геоэлектрических разрезов препятствовали его распространению.
С появлением в 1961 г. высокочувствительной серийной аппаратуры низкой частоты типа АНЧ (Вешев А.В., 1962) (с 1966 г. типа ИКС) появилась возможность сравнительно просто измерять угол наклона вектора магнитного поля точечного источника тока. Однако реализовать на практике определение азимута простирания (совместно с круговыми измерениями электрического поля), направления и угла падения, а также коэффициента анизотропии пород (Дахнов В.Н., 1947, 1953) оказалось не просто. Основная причина - реальные геоэлектрические разрезы весьма редко точно соответствуют модели с однородной анизотропией, а следовательно, отсутствуют условия, необходимые для надежного решения этой задачи.
В работах Карийского (Каринский А.Д., 2008, Каринский А.Д., и др. 2012, Shevnin V.A., et al, 2012) кроме теоретических расчетов формы полярных диаграмм, полученных установками ГМД и ВМД, приведено описание методики азимутальных наблюдений методом ДИП с аппаратурой ЕМ-34. Авторами предлагается выполнять для каждого азимута профиль, состоящий из нескольких точек наблюдений, далее, с помощью осреднения получить значение проводимости для данного азимута, а кроме этого, построить карту кажущейся проводимости для участка съемки. При круговых наблюдениях над геологическими разрезами с негоризонтальными границами полярные диаграммы кажущегося сопротивления сходны с полярными диаграммами, полученными над анизотропными разрезами. Под негоризонтальными границами раздела понимаются контакты сред (например, анизотропных), пласты с субвертикальным падением различной мощности. Аналогичная форма полярных диаграмм кажущегося сопротивления (как над анизотропной средой) наблюдается и над геологическими разрезами с сильной трещиноватостью по одному из направлений. Для определения элементов залегания контактов, пластов, систем трещин предлагалось использовать круговые наблюдения кажущегося сопротивления, комбинируя их с другими методами.
При помощи круговых зондирований и профилирований выявлялись неоднородности в виде обводненных и закарстованных зон, контакты пород с различной электропроводностью (Огильви А.А., 1957). Рассматриваемые объекты являются неоднородностями. Их влияние проявляется на полярных диаграммах кажущегося сопротивления в виде искажений формы диаграммы.
И.Н. Модин, Е.В. Перваго, С.А. Акуленко в своей работе (Модин И.Н. и др., 1992) решают задачу о поле точечного источника тока вблизи контакта двух анизотропных сред. Решение данной задачи легло в основу составленной авторами программы ASA (Anisotropic Sounding Analysis), с помощью которой можно рассчитать потенциал точечного источника, расположенного на поверхности земли, в любой точке земной поверхности вблизи контакта двух анизотропных сред. В работе приводятся результаты моделирования по программе ASA и исследуются новые подходы к анализу полевых данных, полученных в результате круговых наблюдений. Установлено, что вблизи контакта двух анизотропных сред наблюдается искажение круговых диаграмм кажущегося сопротивления, которое выражается в появлении дополнительных максимумов, соответствующих простиранию пород в соседней анизотропной толще.
Описание методики применения многоэлектродной электроразведочной аппаратуры для определения анизотропных свойств грунтов
Таким образом, применение многоэлектродной аппаратуры по вышеописанной методике, а также комплексная интерпретация полученных данных позволяют обеспечить построение геоэлектрического разреза с оценкой анизотропных свойств грунтов послойно, что значительно повышает эффективность подобных работ.
Дипольное индуктивное профилирование, нацеленное на изучение анизотропных свойств грунтов, проводится по следующей технологии. Для азимутальных измерений используется методика фирмы Geonics (McNeill J.D., 1980), когда для каждого азимута выполняется профиль из нескольких точек измерений, в нашем случае это 6 пересекающихся профилей по 25 точек в каждом. Такая методика позволяет рассчитать средние значения по каждому профилю, что повышает устойчивость результатов и построить карту кажущейся проводимости или кажущегося сопротивления для участка съемки (Рисунок 3.14), что дает представление о влиянии анизотропии и неоднородностей и о геоэлектрической ситуации в целом.
Полярные диаграммы кажущегося сопротивления, построенные в результате осреднения по 5 и 25 точкам измерений с расстоянием между диполями 10 м, что соответствует глубинности до 7.5 м, имеют слабую меридиональную вытянутость (Рисунок 3.15). Однако необходимо сказать, что при наблюдениях горизонтальным магнитным диполем с дипольной экваториальной установкой азимутальные диаграммы кажущегося сопротивления вытянуты вкрест простирания плоскости анизотропии, то есть, нет парадокса анизотропии (Каринский А.Д. и др., 2012, Shevnin V.A. et al). Кроме того, абсолютные значения кажущегося ДИП на Точке 1. сопротивления, полученные методом ДИП, могут заметно отличаться от аналогичных значений, полученных с помощью методов сопротивлений, ввиду различий результатов гальванических и индуктивных методов (Шевнин В.А. и др., 2011, 2013). Таким образом, полученная полярная диаграмма, скорее всего, соответствует верхней части слоя суглинков, осложненного мелкими неоднородностями.
Также на исследуемой точке были проведены работы методом азимутального измерения естественного электрического поля. Наблюдения проводились с радиусом окружностей 12 и 4 м и шагом по углу 15 (24 луча). После выбора пары неполяризующихся электродов ВИРГ (медь в растворе медного купороса) с наименьшей разностью потенциалов, неподвижный электрод (N) был установлен в центре круга, а подвижный электрод (М) двигался по окружности с углом поворота 15. В измеренные значения вносилась поправка за электродную разность потенциалов и за изменение поля ЕП на первой точке профиля. Для контроля измерения были повторены четыре раза и обработаны независимо, а потом осреднены. Полученные азимутальные диаграммы показаны на Рисунке 3.16. Диаграмма имеет несимметричную, чуть вытянутую вдоль направления 0 - 180 форму. Существуют исследования (Wishart et al., 2006), которые говорят о том, что направление большой оси диаграммы показывает направление фильтрации, если таковая присутствует. На рассматриваемом участке фильтрация может происходить в толще флювиогляциальных песков, так как нижележащие суглинки являются водоупором. Представлен обзор существующих методик исследования анизотропных сред. На основе приведенного обзора показана необходимость использования большого количества измерений для повышения достоверности данных, а также учета схожести эффектов влияния на измерения анизотропных свойств среды и неоднородностей разреза.
Автором предложена и опробована новая методика работ, направленная на изучение анизотропных свойств разреза с использованием многоэлектродной аппаратуры, которая позволяет повысить достоверность результатов интерпретации данных, оценить изменение анизотропных свойств с глубиной. Приведенные полевые примеры использования методики подтверждают теоретические выводы, сделанные автором, а также демонстрируют состоятельность полученных результатов и их воспроизводимость другими методами.
Алгоритмы разделения эффектов влияния анизотропии и неоднородностей, основанные на спектральном и статистическом подходах, задействованные в комплексной интерпретации данных описанной методики, позволяют делать обоснованные выводы о строении разреза. Заключение
В диссертационной работе проведено исследование различных сред с анизотропными по отношению к удельному электрическому сопротивлению свойствами, вызванными наличием трещиноватости и криогенной текстуры, а также предложена новая электроразведочная методика изучения анизотропных сред. При этом были выполнены аналитические расчеты, численное и физическое моделирование, ряд экспериментальных наблюдений, которые позволили получить следующие основные результаты:
Выполненные автором аналитические расчеты потенциала электрического поля, а также продольного и поперечного кажущихся сопротивлений над средами с одной и двумя системами вертикальных трещин позволили сделать вывод о том, что полярные диаграммы кажущегося сопротивления, измеренного на поверхности анизотропного полупространства методом кругового электропрофилирования, будут иметь форму эллипса. При этом, в случае наличия одной системы параллельных трещин, большая полуось эллипса будет вытянута вдоль направления трещин, а в случае наличия двух систем трещин, большая полуось эллипса будет вытянута между трещинами или вдоль одной приоритетной системы трещин. Этот вывод был подтвержден экспериментальными наблюдениями. Также автором показано, что несколько максимумов на полярных диаграммах кажущегося сопротивления может возникнуть при измерениях над горизонтально-неоднородными средами или в случаях, когда влияние неоднородностей превышает влияние анизотропии. Это продемонстрировано с помощью математического и физического моделирований.
На примере полевых данных автором продемонстрировано, что мерзлые грунты с шлировой криотекстурой могут обладать аномально высокими значениями удельного электрического сопротивления, которые могут быть вызваны анизотропными свойствами таких грунтов. Аналитические и численные расчеты позволили учесть влияние пространственного расположения прослоев льда, а также степени насыщенности льдом грунтов на измерения кажущегося электрического сопротивления, выполненных на поверхности мерзлых суглинков. При этом рассмотрение анизотропных моделей с двумя и тремя системами прослоев льда, являющихся наиболее приближенными к реальным геологическим средам, позволяют достичь значений УЭС, близких к полученным в полевых условиях, при меньших значениях параметра льдистости.
Автором предложена новая методика работ, направленная на изучение анизотропных свойств разреза с использованием многоэлектродной аппаратуры, которая позволяет повысить достоверность результатов интерпретации данных путем сбора большого количества данных и учета особенностей их обработки. В методике реализованы наработки различных исследователей, алгоритмы разделения эффектов от анизотропии и неоднородностей, возможность оценки изменения анизотропных свойств с глубиной. Полевые примеры использования методики подтверждают теоретические выводы, сделанные автором, а также демонстрируют состоятельность полученных результатов и их воспроизводимость другими методами.
