Введение к работе
Объектом исследования данной работы являются геологические среды, которым присуща дисперсия удельного электрического сопротивления и сложная геометрия отдельных тел.
Методы зондирования становлением поля (ЗС) и вызванной поляризации (ВП) успешно развиваются на протяжении более 50-ти лет. К настоящему времени достаточно полно разработаны физико-математические основы этих методов, что позволяет решать широкий круг геологических задач. Однако остается ряд нерешенных теоретических и методических вопросов, ответы на которые будут способствовать реализации возможностей этих методов. В частности, недостаточно учитывалось влияние эффектов вызванной поляризации и геометрии геоэлектрических границ на электромагнитный отклик.
Эффекты ВП однозначно диагностируются по полевым данным только при использовании совмещенной петлевой установки, когда наблюдаемые сигналы меняют знак. Во многих других случаях поляризационный процесс искажает наблюдаемый сигнал становления поля, однако смены знака при этом не происходит. В этом случае определение причины искажений вызывает наибольшие сложности, поскольку аналогичные явления могут возникать не только за счет поляризуемости горных пород, но и за счет неоднородностей геологической среды.
Имеются также вопросы в связи с так называемым сверхразрешением, которое заключается в том, что часто по экспериментальным данным наземных электромагнитных зондирований выделяются объекты, которые не должны заметно влиять на результаты измерений из-за малого вклада в суммарную продольную проводимость геоэлектрического разреза. Феномен высокоразрешающей электроразведки ранее рассматривался в одной плоскости: какое влияние оказывает вызванная поляризация горных пород на кривые зондирования. При этом считалось, что эффекты сверхразрешения имеют в своей основе механизм вызванной поляризации, другие возможные ме-
|
М>С НАЦИОНАЛЬНА*
ВИБЛИОТЕКА |
ханизмы (в частности, влияние слабого наклона геоэлектрических границ) не рассматривались.
Исходя из выше сказанного, актуальность исследований заключается в разработке алгоритмов интерпретации данных электромагнитных зондирований, с использованием трехмерного моделирования геоэлектрической среды, учитывающего слабый наклон геоэлектрических границ, и в учете петрофизи-ческих характеристик горных пород через параметры вызванной поляризации в наземных электромагнитных зондированиях.
Цель исследований - повышение достоверности и информативности электромагнитных методов путем разработки более совершенных алгоритмов интерпретации данных электромагнитных зондирований, в основе которых лежит одномерное моделирование с учетом частотной дисперсии и трехмерное моделирование геоэлектрической среды.
Научные задачи исследования
-
Определить влияние дисперсии удельного электрического сопротивления, расположения установки относительно поверхности наблюдения и наклона геоэлектрических границ на измеряемый сигнал в электромагнитных зондированиях. Установить качественные признаки наличия в геоэлектрическом разрезе слабонаклонных границ (по форме кривых зондирований и их трансформантам).
-
Оценить зависимость электромагнитного отклика геологического разреза от пористости горных пород через параметры поляризации Cole-Cole и разработать алгоритм интерпретации для поляризованных геоэлектрических моделей, которые содержат большое количество определяемых параметров.
Фактический материал и методы исследования В своих исследованиях автор опирался на идеи российских и зарубежных ученых, работавших в области электромагнитных методов электроразведки и внесших вклад в развитие физико-математических основ метода зондирования становлением поля: Л.Л. Ваньяна, В.И. Дмитриева, А.А. Кауфмана, Г.М. Морозовой, Б.С. Светова, А.А. Сидорова, Л.А. Табаровского, В.В. Тикшаева, А.Н. Тихонова, СМ. Шейнмана. Явление вызванной поляризации изучали: Ю.П. Булашевич, И.Э. Гаври-
лов, Б.И. Геннадиник, В.П. Губатенко, В.Ю.Задорожная, Р.Б. Журавлев, Ф.М. Каменецкий, В.А. Комаров, В.В. Кормильцев, А.В. Куликов, Д. Маршал, Т. Мадлен, Н.Т. Полетаева, А.Ф. Постельников, М.П. Сидорова, В.А. Сидоров, А.Д. Скурихин, В.М. Тимофеев, В.В. Филатов, Д.А. Фридрихсберг, СМ. Шейнман, Е.А. Шемякин, М.И. Эпов, А.М. Яхин, Д. Блейд, В. Бухгейм, Г. Сигел, Дж. Уэйт, R. Cole, К. Cole, G.U. Keller. Метод возмущений для решения двух-, трехмерных прямых задач применяли: Г.Г. Обухов, А.А. Кауфман, Л.А. Табаровский, J.E. Mann.
Теоретической основой решения поставленной задачи являются уравнения электродинамики Максвелла в квазистационарном приближении. Для моделирования электромагнитного отклика над горизонтально-слоистой поляризующейся средой использовалось решение прямой одномерной электродинамической задачи с учетом дисперсии удельного (ЧД) электрического сопротивления по модели Cole-Cole (Антонов Е.Ю., 1993). Для трехмерного моделирования электромагнитного отклика геологического разреза использовалось реіпение прямой трехмерной электродинамической задачи (Антонов Е.Ю., 1989), в основе которой лежит метод возмущений.
Основным методом исследования является математическое моделирование электромагнитного отклика от геоэлектрического разреза. Для решения задачи инверсии данных наземных электромагнитных зондирований использовался метод оптимизации Нелдера-Мида (1964). Для верификации программного обеспечения проводился сравнительный анализ расчетов по программам, предоставленным разными авторами (Табаровский 1982, Могилатов 1995, Weidelt 1994 и др.), выполнялись тестовые расчеты для известных моделей.
Для установления связи между параметрами поляризуемости Cole-Cole и пористостью горных пород использовались результаты измерения спектра удельного электрического сопротивления на коллекции образцов керна из скважины 3143 Тян-ского месторождения (около 50 образцов). Экспериментальный материал получен в СНИИГГиМС и включает в себя около 60 кривых спектральных характеристик образцов в двух растворах с различной минерализацией.
При тестировании схемы инверсии данных электромагнитных зондирований применительно к дифференциально-нормированному методу электроразведки использовался экспериментальный материал, предоставленный сотрудниками «Иркутскгеофизика». Эти экспериментальные данные (около 40 точек зондирования) получены в 2000-2004 годах в Восточной Сибири и Волгоградской области.
Защищаемые научные результаты
-
Доказано, что вклад гальванической моды в электромагнитный отклик существенно увеличивается при наличии в геологическом разрезе наклонных границ. На кривых кажущейся продольной проводимости (ST(Ht)) появляются участки с понижением продольной проводимости по глубине для зондирующей установки «петля - электрическая линия». Сравнительный анализ синтетических электромагнитных откликов в среде со слабонаклонной границей пласта и с поляризующимся пластом показал, что небольшие углы наклона пластов находят отражение в качественных изменениях формы кривых St(HT), в то время как даже сильно поляризованный пласт только завышает суммарную продольную проводимость разреза, не меняя форму кривых St(HT).
-
Сравнительный анализ электромагнитного отклика с различными значениями параметров поляризуемости горных пород показал, что при известной минерализации флюида, заполняющего поровое пространство, пористость горной породы влияет на уровень регистрируемого сигнала: на поздней стадии становления уровень регистрируемого сигнала тем выше, чем больше пористость горной породы, (коллекция керна из скважины Тянской площади, Западная Сибирь).
Новизна работы. Личный вклад
1. Проведена оценка влияния слабонаклонных геоэлектрических границ и эффектов вызванной поляризации на электромагнитный отклик в наземных зондированиях:
- разработан алгоритм моделирования нестационарного электромагнитного отклика над горизонтально-слоистыми средами с учетом наклона совмещенной петлевой установки относительно дневной поверхности, разработано соответствующее программное обеспечение;
построена зенитная диаграмма направленности кажущейся продольной проводимости, отражающая величину аномалии продольной проводимости разреза, которая является критерием для определения утла наклона совмещенной петлевой установки относительно дневной поверхности;
для различных типов установок проведен численный анализ электромагнитного отклика, с учетом поляризации и наклона тонкого пласта доказано, что гальваническая составляющая в регистрируемом нестационарном сигнале приводит к возникновению на кривых ST(Hr) участков убывания суммарной проводимости для установки «петля - электрическая линия» (для установки «петля-петля» таких искажений ST(HT) кривых не наблюдается).
2. Определены параметры вызванной поляризации Cole-Cole
образцов горных пород и их связь с пористостью:
разработан алгоритм подбора параметров поляризации Cole-Cole по экспериментальным спектральным характеристикам удельного электрического сопротивления образцов горных пород, разработано программное обеспечение;
определены параметры модели Cole-Cole для образцов горных пород при двух минерализациях флюида, заполняющего поровое пространство образцов (коллекции керна из скважины Тянской площади, Западная Сибирь);
сравнительный анализ полей корреляции параметров ВП образцов горных пород позволил установить, что изменение концентрации флюида приводит к сильному изменению параметров Cole-Cole.
3. С использованием алгоритма оптимизации Нелдера-Мида
разработана методика инверсии данных электромагнитных
зондирований для многопараметричных моделей поляризую
щихся сред.
Теоретическая и практическая значимость результатов В работе на базе алгоритмов моделирования нестационарных электромагнитных полей в одномерных (с учетом поляризации) и трехмерных (без учета поляризации) средах дается объяснение явлению сверхразрешения, а установленная связь пористости горных пород и результатов наземных электромаг-
нитных зондирований описывается через параметры поляризуемости.
Разработанные для построения геоэлектрических моделей алгоритмы и программы позволяют получить более достоверную информацию о структуре геоэлектрических границ, что важно для решения задачи интерпретации большого объема экспериментального материала, который ранее считался некондиционным и его обработка и интерпретация не проводились, а также изучать структуру толщи осадочного чехла на старом и на новом экспериментальном материале.
Математическое моделирование электромагнитных откликов в слабонаклонных средах делает возможным оптимальное планирование полевых работ. Качественные признаки (по особенностям кривых St(Ht)) слабого наклона границ позволяют разделить влияние процессов вызванной поляризации и геометрии геоэлектрических границ, что имеет важное практическое значение при выявлении структурных особенностей геологического разреза.
Установленная зависимость между пористостью горных пород и величиной измеряемого на дневной поверхности сигнала дает принципиальную возможность определения пористости в случае, если другие петрофизические свойства горных пород мало изменяются. Последнее важно для развития методов наземной геоэлектрики при решении задач гидрогеологии и инженерной геологии.
Разработанный алгоритм инверсии данных электромагнитных зондирований внедрен в производство в ФГУГП "Иркут-скгеофизика" в 2004 году и успешно применяется для инверсии данных дифференциально-нормированного метода электроразведки (ДНМЭ).
Апробация работы
Основные положения и результаты докладывались на XXXVI Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1998), на XXXVII Международной научной студенческой конференции (Новосибирск, 1999), на Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. ак. М.А. Усова (Томск, 1999), на XXXVIII Международной научной студенческой конференции (Новосибирск,
2000), на Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов (Новосибирск, 2001), на IV Уральской молодежной научной школе по геофизике (Пермь, 2003), на XX Всероссийской молодежной конференции (Иркутск, 2003), на V Уральской молодежной научной школе по геофизике (Екатеринбург, 2004), на VI Уральской молодежной научной школе по геофизике (Пермь, 2005).
Работа выполнялась в соответствии с планами НИР Института геофизики СО РАН № 01200101571 в 2002-2003 годах, № 01200407248 в 2004-2005 годах и была поддержана грантом Минобразования РФ "Оценка параметров частотной дисперсии по данным индукционных зондирований" №ЗН-230-98. Соискатель является соавтором трех отчетов по этому гранту.
Благодарности
Автор благодарен преподавателям кафедры геофизики НГУ: заведующему кафедрой академику СВ. Гольдину, профессору Ю.Н. Антонову, д.ф.-м.н. Ю.А. Дашевскому за участие в формировании научного мировоззрения автора.
Выполнение работ по типизации геоэлектрических моделей верхней части разреза г. Новосибирска было бы невозможно без И.Д. Зольникова.
Автор выражает благодарность сотрудникам Лаборатории
электромагнитных полей Ю.Н. Антонову, В.Н. Глинских,
Ю.А. Дашевскому, Н.О. Кожевникову, А.К. Манштейну,
B.C. Могилатову, Г.М. Морозовой, Г.В. Нестеровой,
В.Н. Ульянову за советы и рекомендации, которые были очень полезны. Приятно отметить неизменно внимательное отношение д.т.н. И.Н. Ельцова к вопросам и проблемам автора.
Автор считает своим долгом отметить плодотворное сотрудничество с подразделением ФГУГП "Иркутскгеофизика" - ДГУП "Сибирская геофизическая партия". Автор искренне благодарен д.г.-м.н. П.Ю. Легейдо за предоставленные экспериментальные материалы и возможность участия в полевых работах дифференциально-нормированным методом электроразведки. Автор выражает особую признательность специалисту-геофизику фирмы Е.В. Агеенкову, без которого было бы невозможно внедрение в производство предложенных автором подходов.
Автор глубоко признателен чл.-корр. РАН М.И. Эпову за всестороннюю поддержку, ценные советы и рекомендации в процессе выполнения работы.
Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю, кандидату технических наук, доценту Е.Ю. Антонову за постоянное внимание и корректное научное руководство.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, содержит 115 страниц печатного текста, 45 рисунков и 3 таблицы. Библиография включает 97 наименований.
