Геомагнетизм и аэрономия, 2022, T. 62, № 3, стр. 401-407

1. ВВЕДЕНИЕ

При решении практических задач распространения радиоволн ДВ‒СВ-диапазонов над земной поверхностью необходимо знание электрической модели подстилающей среды на глубину проникновения радиоволн. Зная число слоев, их мощность и электрические характеристики каждого слоя (проводимость и диэлектрическую проницаемость) можно определить так называемый поверхностный импеданс, который лежит в основе расчета характеристик распространения земных радиоволн. Для определения геоэлектрического разреза верхних слоев земли широко используется комплексирование радиофизических, геофизических и геологических методов изучения подповерхностной структуры. Выбор методов комплексирования является одним из главных моментов при изучении структуры подстилающей среды, поскольку использование одного метода не дает однозначного определения структуры подстилающей среды и электрических характеристик слоев.

В работе приведены результаты исследования подстилающей среды на типичных участках залегания многолетнемерзлых пород методами вертикального электрического зондирования на постоянном токе, поверхностного импеданса и аудиомагнитотеллурического зондирования. Цель работы заключается в апробации прибора аудиомагнитотеллурического зондирования ADMT-200S при определении положения геологических границ и распределения электрического сопротивления по глубине на опорных пунктах наблюдений, на которых были выполнены указанные выше комплексные геофизические исследования в предыдущие годы.

2. ОПИСАНИЕ УЧАСТКОВ НАБЛЮДЕНИЙ

Участки, на которых проводились комплексные геофизические измерения расположены в долине р. Лены и на ее высокой террасе в 25–30 км от г. Якутска. Долина р. Лены представляет ровную поверхность с абсолютными отметками высот 95–107 м, на которой расположен г. Якутск. По результатам бурений мощность мерзлых рыхлых отложений в Якутской скважине достигает 24 м. До глубины 3–6 м разрез представлен льдистыми супесями, суглинками, мелкозернистыми песками и местами алевритами. Далее залегают пески разной зернистости от мелкозернистых до крупнозернистых с прослоями галечника. Дочетвертичные (коренные породы) отложения представлены голубовато-серыми плотными песчаниками с прослоями серых и черных алевролитов. Мощность сезонного протаивания изменяется от 1–1.5 м в суглинках и до 2–3 м в песках. [Спектор и др., 2008].

По результатам электроразведки в долине реки р. Лены мощность мерзлых рыхлых отложений меняется от 12.4–14.5 до 16.2–22.7 м при удалении от берега реки. Удельные электрические сопротивления мерзлых рыхлых отложений находятся в пределах 468–1965 Ом м со средним медианным значением 1201 Ом м, а для коренных пород электрическое сопротивление изменяется от 24 до 1037 Ом м со средним медианным значением 217 Ом м [Нерадовский, 2019].

Следующий террасовый уровень рельефа расположен на высотах 100–200 м и выше над урезом воды р. Лены, который сложен косослоистыми песками с прослоями галечников и подчиненными им прослоями глин и суглинков. Общая мощность этих рыхлых отложений иногда достигает 80–100 м [Игнатченко, 1961]. Изучению этой террасы способствовало наличие Кильдямского и Кангаласского угольных месторождений. В работе [Угольные …, 1973] приведены геологические разрезы вдоль этой террасы по работам Игнатченко Н.А., согласно которым сверху залегают косослоистые пески с галечником, а ниже находятся песчаники и пески с прослоями бурого угля. По результатам бурения на Кангаласском месторождении мощность рыхлых гравийно-песчаных отложений составляет порядка 60 м, ниже которых находятся прослойки угля общей мощностью до 8‒9 м. Далее залегают песчаники разной зернистости. Вблизи опорного участка наблюдения, в карьерах 35-го километра Намского тракта на высоте около 120 м над урезом воды в р. Лена рыхлые отложения представлены серовато-желтыми охристыми разнозернистыми косослоистыми песками с хорошо окатанными гравием и галькой [Правкин и др., 2018]. Данных по электрическому сопротивлению на данном участке наблюдений нами не встречено в литературе.

3. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Наиболее простым и распространенным методом определения электрофизических характеристик подстилающей среды является метод вертикального электрического зондирования на постоянном токе. Сущность этого метода проста и состоит в возбуждении электрического тока в земле и измерении наводимого напряжения на приемных электродах при изменении величины разносов как питающей, так и приемной линий. По результатам измерения величины тока и напряжения строится график кажущегося сопротивления ρ_к подповерхностной среды в зависимости от полуразносов питающей линии АВ/2. В процессе интерпретации кривых ρ_к можно оценить мощность и удельное электрическое сопротивление слоев. При интерпретации кривых кажущегося сопротивления используется палеточный метод интерпретации [Пылаев, 1968]. В последнее время широко применяются компьютерные методы интерпретации.

Основным недостатком этого метода является проблема определения глубины границ из-за широкой области эквивалентных решений. Неоднозначность интерпретации кривых ρ_к особенно сильно проявляется при работе в зоне залегания многолетнемерзлых пород. Поскольку значительная контрастность по электрическому сопротивлению мерзлого и верхнего талого слоя приводит к совпадению кривых для предельного случая, когда электрическое сопротивление мерзлого слоя равно бесконечности, т.е. появляется неоднозначность в определении еще и электрического сопротивления [Якупов, 1968]. Использование комплексирования геофизических методов позволяет достичь однозначного определения параметров геоэлектрического разреза на мерзлых породах [Рекомендации …, 1987]. Наилучшие результаты при комплексировании методов можно получить, используя электромагнитные (радиоволновые) методы электроразведки [Никитин и Хмелевской, 2012].

Метод поверхностного импеданса заключается в измерении тангенциальных составляющих электромагнитного поля на поверхности земли. Источниками электромагнитного поля являются радиостанции СДВ-ДВ-СВ диапазонов. По результатам измерений определяется приведенный поверхностный импеданс, который записывается в комплексном виде:

Где E_τ и H_τ – электрическая и магнитная тангенциальные составляющие соответственно, Z₀ = = 120π Ом – импеданс свободного пространства, φ_δ – фаза импеданса, равная разности фаз между E_τ и H_τ.

Измерения методом поверхностного импеданса были выполнены измерителем импеданса в диапазоне частот 10–1000 кГц, описание которого приведено в работе [Парфентьев и Пертель, 1991]. Знание модуля и фазы поверхностного импеданса позволяет определить амплитудные и фазовые характеристики радиоволн при распространении над земной поверхностью [Макаров и др., 1991].

Метод поверхностного импеданса также используется в разведочной геофизике для определения электрофизических характеристик слоев земли. В этом случае решается обратная задача, которая заключается в восстановлении параметров геоэлектрического разреза по измеренным значениям модуля и фазы поверхностного импеданса [Ангархаева и др., 1997]. При решении обратной задачи применяется метод регуляризации А.Н. Тихонова для решения некорректно поставленных задач. Метод решения обратной задачи основан на минимизации сглаживающего функционала. При этом сглаживающий функционал имеет вид:

где $I\left[ g \right] = \sum\nolimits_{l{\kern 1pt} = {\kern 1pt} 1}^L {{{{\left| {{{\delta }_{l}} - {{\delta }_{{\text{э}}}}} \right|}}^{2}}} $ – функционал невязки;

– стабилизирующий функционал;

g = (ε, σ, h) – параметры многослойной полупроводящей среды; α – параметр регуляризации; (ε⁰, σ ⁰, h⁰) – гипотетическое распределение параметров разреза; p_n, q_n, r_n – веса соответствующих параметров; δ_э – экспериментальные значения импеданса на l-ой частоте. Минимизация рассматриваемого функционала производилась с помощью метода Ньютона–Канторовича (метод линеаризации).

Критерием выбора “наилучшего” геоэлектрического разреза служит минимум среднеквадратического отклонения экспериментальных значений импеданса от рассчитанных для модели n-слойной среды.

Для решения обратной задачи необходимо знать априори начальные значения искомых параметров: мощность слоев и их электрические характеристики.

В настоящее время в Китайской Народной Республике разработаны приборы для поисков воды, основанные на измерении электрической или магнитной компоненты естественного электромагнитного поля Земли. Нами был использован прибор ADMT-200S. Этот прибор также может решать широкий круг вопросов при инженерно-геологических изысканиях до глубины 200 м (Operation…, 2021). Принцип действия детектора воды ADMT-200S основан на измерении разности потенциалов между двумя электродами, наводимых в земле от горизонтальной электрической составляющей естественных источников поля в диапазоне частот от единиц Гц до единиц кГц. При обработке полученных данных и построении графиков изолиний напряжения и цветной палитры электрического сопротивления подстилающей среды в зависимости от глубины используются теоретические принципы магнитотеллурического и аудиомагнитотеллурического методов зондирования [Бердичевский, 1968].

Современная компьютерная обработка принятых сигналов в определенном частотном диапазоне позволяет решить обратную задачу построения изолиний электрической составляющей естественного поля земли в зависимости от глубины. Эти изолинии характеризуют распределение электрических свойств массивов горных пород по глубине, что позволяет на качественном уровне оценить распределение по глубине горизонтов с разными электрическими характеристиками (Operation …, 2021).

Особенность естественного электрического поля заключается в том, что оно постоянно меняется, т.е. при последовательных измерениях разность потенциалов будет меняться, возникает неопределенность при решении обратной задачи. Использование метода многоканальных измерений в приборе ADMT-200S полностью решило проблему изменений естественного электрического поля: поскольку происходит одновременная регистрация данных путем использования большого количества каналов.

Основные характеристики прибора ADMT-200S:

1. Диапазон измерения разности потенциалов: 0–200 мВ с разрешением 1 мВ.

2. Количество частотных каналов 40 с погрешностью определения частоты 3%.

3. Диапазон принимаемых частот от 0.1 Гц до 5 кГц, что обеспечивает глубинность исследования до 200 м.

4. Входное сопротивление: ≥10 Мом.

5. Подавление промышленных помех: >80 дБ.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

На рисунке 1 приведена кривая кажущегося сопротивления ρ_к для пункта наблюдения в долине р. Лены. В силу неоднозначности количественной интерпретации кривой ρ_к без результатов бурения, на данном пункте наблюдений была выполнена только ее качественная интерпретация. Как видно из рис. 1, восходящая ветвь кривой идет под углом в 45°, что характерно для резкой контрастности электрического сопротивления талых и мерзлых рыхлых отложений. Причем строение слоя мерзлых рыхлых отложений неоднородно судя по перегибу на полуразносе 25 м. Ход кривой ρ_к показывает, что электрическое сопротивление мерзлого слоя может достигать нескольких тысяч Ом м. Отметим также резкий спад кривой ρ_к на полуразносах 500–750 м, что свидетельствует о наличии проводящего слоя ниже мерзлого слоя. Максимальное число слоев для данной кривой ρ_к равно 4.

Используя вышеприведенные сведения и сведения о геологическом строении надпойменной террасы р. Лены можно восстановить параметры геоэлектрического разреза на данном пункте наблюдений при решении обратной задачи метода поверхностного импеданса.

На рисунке 2 приведены результаты сравнения измеренных и расчетных значений модуля и фазы поверхностного импеданса в зависимости от частоты. Экспериментальные значения модуля и фазы поверхностного импеданса обозначены дискретными точками, а расчетные значения – непрерывными линиями. Для экспериментальных значений фазы импеданса приведены абсолютные погрешности измерений +3°. Погрешности измерения модуля импеданса настолько малы, что укладываются в размеры точек. Расчетные значения модуля и фазы поверхностного импеданса выполнены по восстановленным значениям параметров геоэлектрического разреза. Совпадения экспериментальных и расчетных значений модуля и фазы поверхностного импеданса свидетельствует о близости восстановленных значений параметров геоэлектрического разреза к действительным.

В таблице к рис. 2 приведены восстановленные значения параметров геоэлектрического разреза с округлением величины электрического сопротивления в зависимости от ее величины. Из таблицы к рис. 2 следует, что нижняя граница мерзлых рыхлых отложений находится на глубине 24.5 м, а электрическое сопротивление этого слоя составляет 8000 Ом м. Ниже этого слоя залегает коренные породы с аномально низким значением электрического сопротивления – 7 Ом м. Согласно литературным данным, такие значения электрического сопротивления характерны для свободных минерализованных вод или связанных вод, адсорбированных твердыми частицами породы. Возможно, что кровля коренных пород является водоупорным горизонтом для межмерзлотных вод и насыщена водным раствором.

Следует отметить, что полученное значение электрического сопротивления мерзлых рыхлых отложений на данном пункте наблюдений выходит за верхний предел (1950 Ом м) возможных значений, приведенных в работе [Нерадовский, 2019]. Также для коренных пород – его электрическое сопротивление выходит за пределы минимальных значений (24 Ом м), приведенных в этой же работе. Причина может заключаться в зависимости электрического сопротивления слагающих разрез пород от рельефа местности и времени года наблюдений.

На этом же участке были выполнены измерения прибором ADMT-200S c базой 20 м и шагом 5 м. Общая длина профиля составляет 440 м. Интерпретация и построение графиков изолиний напряжения в зависимости от глубины (псевдоразреза) производились с использованием программы обработки результатов измерений на сайте производителя и приведены на рис. 3. В правой части рис. 3 показана шкала распределения разности потенциалов между электродами. Как следует из описания по использованию данного прибора, чем меньше разность потенциалов, тем ниже электрическое сопротивление данной зоны псевдоразреза. В черно-белом варианте темные цвета соответствуют зонам с низкими значениями электрического сопротивления. На рисунке 3 выделяются две горизонтально залегающие области: верхний слой (1), соответствующий изолиниям с высокими значениями разности потенциалов (0.46–0.70) мВ и область 2, ограниченная изолинией 0.3 мВ, соответствующей зоне с низким значением электрического сопротивления. Таким образом, на глубине 26–27 м залегает слой с низкими значениями электрического сопротивления, что с погрешностью 1.2–2.2 м совпадает с мощностью рыхлых отложений, определенной по результатам восстановления параметров геоэлектрического разреза. Как следует из рис. 3 качественная оценка распределения электрического сопротивления по глубине соответствует результатам, приведенным в таблице рис. 2, т.е. сверху находится слой с высокими значениями электрического сопротивления, а затем следует горизонт, соответствующий низким значениям разности потенциалов, т.е. зоне с низким значением электрического сопротивления.

На рисунке 4 приведена кривая ρ_к для пункта наблюдения на высокой террасе реки Лена. Как видно из качественного анализа кривой ρ_к на данном участке наблюдается структура, состоящая из 5 слоев. Эта кривая ρ_к также имеет ломаный характер на полуразносах 3.0–4.5 м и более 100 м, что затрудняет ее количественную интерпретацию. Можно предположить, что резкий спад кривой ρ_к на полуразносе 225 м вызван влиянием угленосного слоя с низкими значениями электрического сопротивления. Далее кривая ρ_к резко уходит вверх, что указывает на наличие высокоомного фундамента (песчаников). Такое поведение кривой ρ_к согласуется с геологическим описанием высокой речной террасы, на которой располагался опорный пункт наблюдения.

В таблице к рис. 5 приведены результаты восстановления параметров геоэлектрического разреза по импедансным измерениям. Мощность мерзлых рыхлых отложений оценивается в 30 м, а их электрическое сопротивление изменяется с глубиной от 600 Ом м до 4000 Ом м. Нижний горизонт с электрическим сопротивлением 40 Ом м может соответствовать нижележащим угленосным отложениям небольшой толщины.

На рисунке 6 приведен псевдоразрез изолиний разности потенциалов, полученный после обработки результатов измерений прибором ADMT-200S. Согласно рис. 6, верхний слой песчаных рыхлых отложений вместе с прослоями угленосных отложений идентифицируется как один низкоомный слой (область 1) с мощностью порядка 30–32 м с значениями разности потенциалов 0.6 мВ. Получается, что слой с низким электрическим сопротивлением, полученный при восстановлении методом поверхностного импеданса не отражается на псевдоразрезе разности потенциалов из-за его малой толщины. Таким образом, нижние границы рыхлых отложений, полученные методом поверхностного импеданса и методом аудиомагнитотеллурического зондирования, совпадают с достаточной для практики точностью.

Далее по глубине залегают высокоомные породы, которые представлены песчаниками согласно геологическому описанию участка наблюдения. Эта область на рис. 6 характеризуется изолиниями с разностью потенциалов 2.6 мВ и выше, что соответствуют зоне с более высокими значениями электрического сопротивления, чем область 1. На рисунке 4 песчаникам соответствует резкий подъем кривой ρ_к на полуразносах 325 м под углом в 45°, что соответствует их очень большому, теоретически, бесконечному электрическому сопротивлению.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, детектор воды ADMT-200S позволяет получить качественную картину распределения электрического сопротивления верхних слоев земли и количественные оценки мощности мерзлых рыхлых отложений.

Использование этого мобильного прибора ADMT-200S в комплексе с другими геофизическими и радиоволновыми методами окажется весьма востребованным для определения параметров геоэлектрического разреза подстилающей среды, которые будут использованы при составлении электрических моделей радиотрасс в целях прогнозирования распространения радиоволн ДВ-СВ диапазонов вдоль земной поверхности на территории северо-востока России.