Введение к работе
' ''
Актуальность. Интенсивное освоение северных и северо-
восточных регионов России связано с решением ряда проблем
поиска месторождений полезных ископаемых, строительства
трубопроводов, транспортных магистралей, гидротехнических и
других промышленных комплексов. В процессе освоения
установлено, что криолитозона, являющаяся основанием
инженерных сооружений и средой, в которой проводятся горные
и другие работы, характеризуется значительной
неоднородностью распределения в пространстве и изменчивостью во времени физических полей, физико-механических свойств и структурно-текстурных особенностей геокриологических разрезов. Эти характеристики в равной мере определяются как естественными геолого-геофизическими, так и антропогенными факторами. Глобальные и локальные антропогенные воздействия на криолитозопу приводят к нарушению ее состояния и, как следствие, к изменению условий хозяйственной деятельности.
При решении задач оптимизации освоения Севера весьма актуальным становится направление натурного изучения пространственно-временной изменчивости параметров толщ горных пород криолитозоны. При этом существенная роль принадлежит геофизическим методам исследования, не нарушающим состояния горных пород в процессе измерения и широко используемым в области развития криолитозоны в' рамках разведочной и поисковой геофизики. Актуальной является проблема создания на их базе методов исследования криолитозоны. Решение этой проблемы в части разработки скважинной электрометрии мерзлой зоны литосферы отражено в предлагаемой работе.
Цель работы. На базе разведочной и промысловой геофизики, адаптируя их методические, технические и информационные возможности к условиям криолитозоны, сделать скважинную электрометрию реальным средством геокриологических исследований.
Основные задачи исследовании
І.Оцснить специфику физико-химических и
технологических условий проведения электрометрических измерений в криолитозопе и на этой основе разработать
методику наблюдений и технические средства определений параметров электромагнитных полей и скважине.
2.0ценить применимость современных электромагнитных методов каротажа с индуктивным заданием и приемом электромагнитного ноля при изучении геокриологаческих разрезов; усовершенствовать их методику и технические средства измерений.
З.Исследовать информативность параметра магнитной восприимчивости при изучении криолитозоны.
4.0прсделить целесообразность применении совмещенных электромагнитных систем модуляционного типа в исследованиях криолитозоны и возможность создания на их основе измерительных устройств для изучения мерзлых пород в стволе скважины и околоскважинном пространстве.
5.Разработать лабораторные установки и изучить электрофизические параметры и закономерности их изменения, зависящие от температуры, льдистое, минерализации порового раствора и других факторов, на образцах мерзлых пород для обоснования интерпретации геофизических данных.
б.Изучить особенности проявления вызванной поляризации и естественного электрического поля в мерзлых толщах горных пород.
7.Разработать методы выявления льда и льдистых горизонтов в геокриологических разрезах скважин.
8.Исследовать возможности применения скважипной электрометрии при изучении геокриологаческих разрезов.
9 .Он редел ить условия применения скважипной
электрометрии и ее роль и место в геофизическом мониторинге криолитозоны.
Научная новизна. 1.Сформулирована и обоснована концепция скважипной электрометрии мерзлой зоны литосферы, базирующаяся на адекватном отражении в электромагнитных полях, наблюдаемых в скважинах, пространственно-временной изменчивости структуры, текстуры, вещественного и фазового состава мерзлых горных пород, определяемой термодинамическими условиями, естественными и антропогенными физико-химическими процессами.
2Доказано, что эффективность и достоверность скважипной электрометрии обусловлены необходимостью усовершенствования существующих и разработки специальных методов и методик, адаптированных к условиям сухих скважин,
обеспечивающих максимально возможную сохранность естественного состояния мерзлых пород в околоскважинном пространстве.
З.Разработаны способы устранения кондуктшшых и
наведенных паразитных утечек тока из токовых линий в
измерительную, способы уменьшения сопротивлений
заземления скважипных электродов и стабилизации их
электродных потенциалов (а.с. N 1068862, 894655, 1383258, 1236406,
1317380, 1326050), которые в совокупности с
усовершенствованиями входных и выходных характеристик измерительных и генераторных устройств обеспечили адаптацию кондуктшшых методов к условиям измерений в сухой скважине и существенно повысили чувствительность и точность измерений параметров электрического поля. .
4.Показано, что для обеспечения необходимой чувствительности и точности скважинной электрометрии при исследованиях криолитозоны разработанные методы нуждаются в периодическом тестировании в связи с изменчивостью электрофизических свойств среды во времени.
5.Разработана новая модификация электрокаротажа МСК, предназначенная для выявления льда и льдистых образований в разрезе сухой скважины, основанная на регистрации изменения величины тока при подогреве контактной поверхности электрод-горная порода (а.с. N 1383258), что повышает однозначность решения задачи.
б.Предложен новый, теоретически обоснованный способ измерения магнитной восприимчивости и электропроводности горных пород, который обеспечивает обнаружение объектов с аномально низкой (до 10* ) магнитной восприимчивостью (например, скопления льда) в окрестности скважины в радиусе до 30-50 метров с указанием азимута на этот объект (а.с. N1238563).
7.Впервые экспериментально установлено наличие интенсивных естественных электрических полей (до 200 мВ) в стационарной части толщи мерзлых пород. Эти поля характеризуются аномальными изменениями в пространстве и во времени, что свидетельствует о существовании достачно активных электрохимических процессов в мерзлой толще горных пород, несмотря на регистрируемую стабильность ее температуры.
8.Впервые показано, что гсоэлектрическис разрезы, построенные по данным скважиниой электрометрии достоверно отражают геологическое и криолнтологическое строение мерзлой толщи. При этом пространственное распределение отрицательных изотерм и изолиний электрофизических параметров слабо коррелируемо.
9.Разработанный и адаптированный к условиям в криолитозоне комплекс методов скважиниой электрометрии обеспечивает объективное выявление пространственных особенностей строения и состава мерзлой толщи и ее изменчивости во времени.
Практическое значение. Выполненные разработки и накопленный опыт в связи с адаптацией технических средств и технологических процедур измерений электромагнитных параметров криолитозоны в сухих скважинах, применение принципиально нового подхода к интерпретации данных измерений, включающего идентификацию условий исследования и использования предшествующего опыта в аналогичных условиях, полученные данные о льдистое горных пород и электрохимической активности мерзлых толщ могут быть использованы в следующих направлениях практических исследований:
-в качестве метода инженерно-геокриологических исследований - при при изысканиях, связанных с выбором площадок под инженерные сооружения, и осуществлении мониторинга за изменением состояния оснований фундаментов крупных инженеириых сооружений;
-в качестве метода Региональной и Общей геокриологии - в целях повышения информативности геокриологических исследований за счет исследования скважин поискового и разведочного бурения (только в Республике Саха (Якутия) бурение сухих скважин различного назначения осуществляется в объеме сотен тысяч погонных метров). Скважинная электрометрия обеспечивает . исследование особенностей изменения фазового состава и содержания жидкой фазы в горных породах естественного сложения, изучение условий возникновения и распространения электромагнитных полей в крлолитозоие и других проявлений криогенеза в мерзлых толщах горных пород. Метод может быть использован как компонент мониторинга за состоянием недр при изучении глобальных изменений природной среды и климата.
Использование результатов экспериментальных наблюдении и опытно-методических и конструкторских работ обеспечивает создание конкретных технических средств измерении, усовершенствование существующей серийной аппаратуры в геофизике и позволяет повысить эффективность поисков и разведки месторождений полезных ископаемых за счет обоснованного применения геофизических методов, повышения точности и надежности проводимых измерений и увеличения достоверности и однозначности интерпретации полевых материалов.
Выполненные разработки методик и технических средств
измерений параметров электромагнитных полей в скважинах и
результаты исследований геоэлектрических разрезов
криолитозоны используются, прежде всего,
геологоразведочными экспедициями ПГО Якутскгеология,
Прнленскгеологая и Северовостокзолото, а также в процессе
научных исследований. Эти же результаты легли в основу
научно-исследовательских программ, связанных с
геофизическим мониторингом криолитозоны различного уровня.
Личный вклад автора. В основу диссертации положены
результаты многолетних (1968-1991 гг.) экспериментальных
исследований в Западной, Центральной и Северо-Восточной
Якутии, Магаданской области и Чукотке. Научные результаты и
выводы получены при непосредственном участии автора в ходе
разработки научно-исследовательских тем, опытно-
методических и опытно-производственных работ в качестве ответственного исполнителя и научного руководителя. Широко использованы литературные данные при анализе результатов электрофизических исследований, условий проведения наблюдений в сухих скважинах и другие.
Разработка ряда теоретических вопросов, методики и техники проведения экспериментальных исследований выполнены автором совместно с сотрудниками Вилюиской НИМС Института мерзлотоведения, а также МГРИ. Особую признательность автор выражает своим коллегам по геофизическим исследованиям: Великину С.А., Бадалову ВД., Бабашкнну А.А., Трощенко Г.Я., Васильеву А.А., Морозову К.В., Виннику А.М.Даниловичу ЮА.,Калинычеву B.C., Климовскому И.В.Готовцеву С.П.,Константинову П.Я.,Попову В.А. и др.
Разпнтию скважиіш'оії электрометрии н геокриологии способствовали творческие контакты, совместные эксперименты и обсуждения возникающих проблем с проф. Плккниным М.И., к.т.н. Талаловым А.Д., к.т.н. Бабковым-Эстсркиным СВ., проф. ДасвымД.С. и др. Внедрение разработок в производство было бы невозможно без постоянной поддержки и помощи со стороны сотрудников ПГО Якутскгеологин и Прилснскгеология Погудила И.А.,Парасогки Б.С, Григоркипа Б.С., Мясниковл Ф.В., Черного С.Д., Балакіпипа Г.Д. и других.
Существенное влияние на направление работ оказали профессор Алышн Л.М., члеп-корреспондент РАН Мельников В.П., д.ф.-м.л. Гснпадшшк Б.И, д.т.и.,проф. Фролов А.Д., д.г.-м.н. Балобаси В.Т., к.т.н. Акимов А.Т., которые стимулировали постановку новых проблем и задач. Особую благодарность автор приносит академику РАН Мельникову П.И., который па протяжении долгих лет не только способствовал проведению работ по теме исследований , но и внес значительный вклад и дело становления и развития Геофизики криолитозопы.
Автор выражает искреннюю признательность всем коллегам, оказавшим помощь, содействие и поддержку при выполнении исследований.
Апробация работ. Отдельные положения и результаты работы представлялись па конференциях международного, всесоюзного и республиканского значения, в том числе на II, III и IV международных конференциях по мерзлотоведению (Якутск, 1972; Эдмонтон, Канада, 1973; Фсрбенкс, США, 1983); на Международном симпозиуме в Ямбурге (СССР, 1990); на всесоюзном совещании "Исследование состава, строения и свойств промерзающих и оттаивающих пород..". (Москва, 1981); выездной сессии Отделения океанологии, физики атмосферы и географии (Магадан, 1986); на республиканских конференциях "Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса" (Якутск, 1985) и "Проблемы инженерно-геологических изысканий в криолитозоие" (Магадан, 1989); на секции "Геофизика криолитозопы" Научного совета но криологии Земли РАН (Москва,1990,1992).
Выполненные разработки экспонировались на выставках "Сибирский прибор"-83, -87, -90, "Гсологоразвсдка-90", ВДНХ (1986 и 1990 гг.) и были награждены дипломами этих выставок и медалями ВДНХ.
Публикации. По теме диссертации актором опубликовано 45 научных работ, включая а авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Общий объем работы - 302 страницы основного текста, 120 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 247 наименований и 21 страница приложений.
