Изучение явления быстропротекающей вызванной поляризации мерзлых пород тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат наук Агеев Дмитрий Владимирович

• Агеев Дмитрий Владимирович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Агеев Дмитрий Владимирович

Введение

Глава 1. Электрические свойства мерзлых пород

1.1 Криолитозона как объект геофизического исследования

1.2 Удельное электрическое сопротивление

1.3 Диэлектрическая проницаемость

1.4 Частотная дисперсия электрических свойств

1.5 Феноменологический подход

1.6 Эффект Максвелла-Вагнера в электроразведке

Глава 2. Быстропротекающая вызванная поляризация: природа явления и зависимость поляризационных параметров от криологических

2.1. Описание измерительной установки

2.2. Технология изготовления образцов

2.3. Результаты лабораторных исследований

2.3.1. Эксперименты по доказательству того, что причиной аномальных процессов быстрого ВП является эффект Максвелла-Вагнера

2.3.2. Эксперименты по изучению зависимости интенсивности БВП от

криопараметров

Глава 3. Опытно-методические полевые работы методами ВЭЗ-БВП и ЗСБ с учетом быстропротекающей вызванной поляризации

3.1. Особенности интерпретации данных ЗСБ в криолитозоне

3.2. Методика полевых работ

3.3. Чаяндинское нефте-газоконденсатное месторождение

3.4. Ботуобинское нефте-газоконденсатное месторождение

3.5. Новоуренгойское газовое месторождение

Заключение

Список литературы

Введение

Поляризуемость среды является одним из основных электромагнитных свойств горных пород. Изучению этого параметра посвящен метод вызванной поляризации (ВП), основанный на изучении полей, создаваемых вторичными электрическими зарядами, которые возникают в земле при пропускании через нее электрического тока [Хмелевской, 1984]. Установлено, что причиной вызванной поляризации в классическом методе ВП для ионопроводящих пород являются электродиффузионные процессы в порах и капиллярах, диаметр которых изменяется в пространстве, а для электронопроводящих пород - электролиз на контакте порового раствора и электронного проводника.

Эти процессы имеют достаточно большие постоянные времени -миллисекунды, секунды и больше, поэтому и аппаратура, используемая в классическом методе ВП, не охватывает более ранние времена (десятки-сотни микросекунд).

При индукционном возбуждении (например, в методе зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ) влияние ВП на получаемые данные значительно слабее. Это связано с двумя факторами. Во-первых, в методе ЗСБ наблюдается суперпозиция индукционных и поляризационных процессов. Для проводящих сред величина индукционного сигнала существенно превышает величину поляризационного и полем ВП можно пренебречь. Только в высокоомных разрезах вклад ВП в измеряемый сигнал может быть заметным. Во-вторых, в методе ЗСБ поляризация среды происходит индуцированными токами становления, которые достаточно быстро затухают во времени и традиционные медленные процессы ВП проявляются слабо. Можно ожидать заметного влияния ВП в данных ЗСБ только в случае быстрых процессов ВП, обладающих малыми постоянными времени.

На начальном этапе развития метода становления поля влиянием поляризационных процессов обычно пренебрегали. Однако позднее выяснилось, что объяснить некоторые аномальные процессы на кривых становления поля невозможно без учета ВП.

Начиная с 1977 года, ВНИИГИС проводились большие объемы работ методом ЗСБ в западной части ЯАССР. Изучаемые районы находились на территории распространения многолетнемерзлых пород. Характерной особенностью получаемых данных являлись немонотонные аномальные процессы на кривых становления, в т.ч. со сменой знака, иногда двух- или более кратной [Каменецкий, 1996]. В.А. Сидоров предложил в качестве объяснения влияние поляризационных процессов, что оказалось весьма правдоподобным. В дальнейшем его работы легли в основу изучения влияния ВП на данные ЗСБ.

Таким образом, поляризационные процессы, влияние которых предполагал В.А. Сидоров, происходят на более ранних временах (10-5 - 10-4 с), чем времена, охватываемые методом ВП. Этот факт порождает интерес к изучению поляризационных процессов на ранних временах, так называемой «быстропротекающей вызванной поляризации» (БВП).

Стоит отметить, что сейчас большинство интерпретационных программ ЗСБ позволяют учитывать влияние ВП. Но к процессам БВП на кривых становления поля относятся, как правило, как к мешающим искажениям и предпринимают попытки ослабить влияние поляризационных процессов путем изменения геометрии установки, например использования выносных петель. Однако, быстропротекающая вызванная поляризация является не только помехой, но и источником полезной информации. Вопрос информативности параметра интенсивности БВП рассматривается в настоящей диссертационной работе.

Большинство методов электроразведки основано на изучении удельного электрического сопротивления, величина которого зависит от большого количества факторов, таких как: литологический состав, влагосодержание, минерализация поровой влаги, мерзлое/талое состояние и др. В связи с многообразием влияющих факторов, особенно в криолитозоне, далеко не всегда можно сделать вывод о том или ином свойстве горной породы. Например, мерзлая глина может не отличаться по сопротивлению от талого песка. В этой связи анализа одного удельного сопротивления недостаточно, необходимо привлекать другую независимую

информацию. Источником такой информации может стать явление быстропротекающей вызванной поляризации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение явления быстропротекающей вызванной поляризации мерзлых пород»

Актуальность

В настоящее время ведется активное строительство в северных районах, охваченных вечной мерзлотой. Также большое количество углеводородных месторождений находится в криолитозоне. Ведение любой деятельности в условиях вечной мерзлоты (строительство инженерных сооружений, трубопроводов, бурение нефтегазовых скважин, добыча подземных вод и многое другое) сопровождается геологическими изысканиями, в которых важную роль играют геофизические методы.

Одна из важнейших задач - это поиск питьевых и технических подземных вод, который в районах вечной мерзлоты сводится к поиску талых участков (таликов) разного типа (межмерзлотные, сквозные, надмерзлотные и др.). Однако, в целях добычи воды, талик недостаточно только найти, необходимо также изучить его строение и свойства, а также криологические свойства окружающей его мерзлой толщи. Это связано с тем, что таликовая зона является динамичным геологическим объектом, и при откачке воды с большим дебетом может промерзнуть, вследствие чего талик станет непригодным для водозабора.

Другой тип задач - инженерно-геологические, связанные с изучением свойств грунтов, на которых ведется строительство. Любое возведение и эксплуатация инженерных сооружений в криолитозоне сопровождается протеканием специфических процессов, таких как: морозное пучение, протаивание мерзлых толщ, промерзание таликов и др. Льдистые грунты, под воздействием теплового поля, создаваемого инженерным сооружением, протаивают, что вызывает сильную осадку и разрушение конструкций.

Вышеперечисленные задачи обуславливают важность изучения криологических свойств мерзлых пород, в частности, льдистости. Явление быстропротекающей вызванной поляризации, присущее мерзлым породам, несет независимую информацию о криопараметрах разреза, чем значительно расширяет

5

возможности методов электроразведки, основанных на изучении удельного электрического сопротивления.

Степень разработанности проблемы

Большие объемы электроразведочных работ методом ЗСБ в зоне вечной мерзлоты начали проводиться в 70-80-х годах прошлого века в Якутии. На большинстве кривых наблюдались искажения неизвестной природы. Подобные данные не поддавались интерпретации и браковались. В.А. Сидоров одним из первых предположил, что причиной искажений кривых ЗСБ могут быть специфические поляризационные процессы с малыми постоянными времени. С этого момента началось изучение влияния быстропротекающих процессов вызванной поляризации на данные ЗСБ.

Позднее, в качестве одной из возможных причин интенсивных поляризационных процессов, происходящих в микросекундном диапазоне было предложено наличие в среде высокоомных прослоек (эффект Максвелла-Вагнера), таких как шлиры льда, жилы кварца, пленки нефти и др. [Каменецкий, 1996]. Однако, если для мерзлых льдистых пород аномально большие значения БВП наблюдаются повсеместно, то в других случаях с этой проблемой сталкиваются гораздо реже - только в достаточно высокоомных разрезах. Например, в работе [Barsukov, Famberg, 2019] отмечается проявление слабой индукционно вызванной поляризации с интенсивностью 3-5% и постоянной времени 10-150 мкс при изучении оползневых процессов в Норвегии. При этом маломощный верхний проводящий слой подстилается коренными породами с большим УЭС 2000 Ом-м. В этих случаях природа возникновения БВП обычно не изучается.

Продолжающиеся активные работы в Якутии методом ЗСБ, в основном для

поисков кимберлитов в условиях мерзлоты, стали причиной углубленного

изучения проявления ВП в данных становления [Стогний, 2008]. Влияние

индукционно-вызванной поляризации рассматривалось как искажающий фактор.

Поэтому разрабатывались технологии, позволяющие ослабить эти искажения. Для

6

подавления ВП было предложено использовать разнесенные установки. Анализ многочисленных полевых данных показал, что зондирования с осложненными переходными характеристиками обычно приурочены к участкам с высокольдистыми породами. Поэтому было высказано предложение использовать информацию по поляризационным свойствам разреза для решения задач геокриологии.

Важной вехой в изучении эффекта Максвелла-Вагнера стала теоретическая работа [Губатенко, 1991], в которой была рассмотрена модель с чередованием плоских хорошо и плохо проводящих прослоев.

Большой вклад в изучение ранней стадии ВП (РСВП), присущей мерзлым породам, внес Н.О. Кожевников. Он одним из первых [Кожевников, 1995] отметил лучшие диагностические способности РСВП по сравнению с УЭС при разделении мерзлых и талых песков и предложил использовать метод РСВП при решении задач геокриологии.

Важным этапом развития лабораторного изучения быстропротекающих процессов ВП в мерзлых породах стали работы [Шестернев и др, 2003] и [Оленченко, 2002], посвященные экспериментальным лабораторным исследованиям временных характеристик ранней стадии вызванной поляризации искусственных мерзлых образцов. Одним из основных выводов этих работ стало утверждение, что форма временных характеристик ВП зависит главным образом от количества незамерзшей воды в порах, определяемого такими параметрами как минерализация, дисперсность и температура. Важной заслугой авторов стала разработанная методика измерения процессов РСВП на высокоомных мерзлых образцах двухэлектродной установкой, в которой параметры РСВП измеряются непосредственно в цепи питающей линии. Однако, измерения, проведенные авторами, во временном диапазоне начинаются с отметки 200 мкс, и не охватывают более ранние времена (30-100 мкс), на которых протекают наиболее интенсивные и характерные процессы БВП.

Для лабораторных и полевых измерений с еще более ранних времен (10 мкс) в ЦГЭМИ ИФЗ РАН был разработан измеритель ВПШ [Агеев и др., 2006]. В работе

7

[Агеев, 2012] описаны первые эксперименты по изучению мерзлых образцов, которые позволили выделить независимый от классической электрокинетической поляризации процесс БВП и обнаружена связь БВП с наличием шлиров льда. Эти результаты стали отправной точкой настоящей диссертационной работы.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка технологии изучения вечной мерзлоты и количественной оценки криологических параметров путем лабораторного исследования процессов БВП на образцах и полевых опытно-методических работ. Эта задача очень актуальна при освоении обширных северных территорий, инженерных изысканиях, мониторинге состояния мерзлоты и т.д. Для разработки эффективной электроразведочной технологии изучения вечной мерзлоты необходим комплексный подход к проблеме, совмещающий полевые натурные исследования в районах развития вечной мерзлоты, лабораторные исследования на природных и искусственных мерзлых образцах, теоретические исследования.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

1) Установление природы явления быстропротекающей вызванной поляризации путем проведения лабораторных экспериментов.

2) Изучение зависимости интенсивности быстропротекающей вызванной поляризации от криологических параметров путем проведения лабораторных измерений на естественных и искусственных мерзлых образцах.

3) Проведение полевых электроразведочных опытно-методических работ и интерпретация полученных данных с целью изучения информативности параметра быстропротекающей вызванной поляризации при решении гидрогеологических задач в условиях вечной мерзлоты.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования настоящей диссертационной работы является эффект

вызванной поляризации горных пород в электроразведке. Предметом исследования

8

является изучение быстропротекающих процессов вызванной поляризации многолетнемерзлых пород и их проявление в данных наземной электроразведки.

Фактический материал и личный вклад автора

Лабораторные эксперименты проводились автором в морозильной камере кафедры геокриологии МГУ им. М.В. Ломоносова. Автором были выполнены полевые опытно-методические исследования на нескольких участках в Якутии, Западной и Восточной Сибири с последующей обработкой и интерпретацией полученных данных.

Научная новизна

Научная новизна заключается в следующем:

1) Выполнены натурные эксперименты и лабораторные исследования на мерзлых образцах процессов быстро устанавливающейся вызванной поляризации на ранних временах, начиная с 10 мкс, с гальваническим возбуждением и приемом поля. Этот интервал захватывает времена, на которых наблюдаются известные искажения, связанные с индукционно вызванной поляризацией в методе ЗСБ в условиях вечной мерзлоты, имеющие обычно постоянные времени 30-150 мкс. Проводимые ранее аналогичные исследования выполнялись, начиная с сотен мкс. А к этим временам интересующие нас процессы БВП существенно затухают.

2) Особое внимание в лабораторных исследованиях уделено влиянию криотекстуры на интенсивность процессов БВП. В результате полученных закономерностей для льдистых образцов удалось подтвердить гипотезу о том, что механизмом БВП является эффект Максвелла-Вагнера. Повышенная минерализация поровой влаги и глинистость образцов, отсутствие шлиров льда (или их ограниченные размеры) способствуют сквозному протеканию тока. При этом заряды на микронеоднородностях не образуются, механизм Максвелла-Вагнера не задействован, аномальные значения БВП не наблюдаются.

3) В результате натурных опытно-методических работ показано, что по параметрам БВП возможна более детальная дифференциация мерзлых разрезов, чем по удельному сопротивлению.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в экспериментальном подтверждении того, что причиной быстропротекающих процессов вызванной поляризации является эффект Максвелла-Вагнера. Важность этого вывода обуславливается тем, что на данный момент среди исследователей нет общепринятой точки зрения на механизм БВП. Установлено, что интенсивность процессов БВП для мерзлых дисперсных песчано-глинистых грунтов определяется главным образом криотекстурой. Также установлена зависимость интенсивности БВП от льдистости (на примере мерзлых суглинков), что создает предпосылку для определения льдистости путем совместного анализа величины БВП и сопротивления, полученных в полевых условиях. Этот результат является и практически значимым, т.к. предполагает возможность определения важного при инженерных и гидрогеологических изысканиях параметра льдистости по данным наземной геофизики без бурения.

Также к практически важным результатам можно отнести подтверждение эффективности методики ВЭЗ-БВП, позволяющей разделить мерзлую толщу на горизонты с разными криологическими параметрами. На ряду с эффективностью самой методики ВЭЗ-БВП, подтверждена целесообразность использования комплекса методов ЗСБ и ВЭЗ-БВП. Установлено, что анализ величины БВП в данных ЗСБ позволяет выделять в разрезе таликовые зоны повышенного сопротивления, которые только по значению удельного электрического сопротивления могут ошибочно считаться мерзлыми.

Методология диссертационного исследования

Лабораторные исследования проводились на природных и искусственных

(физическое моделирование) мерзлых образцах в морозильной камере с помощью

10

аппаратуры ВПШ (ЦГЭМИ ИФЗ РАН). При полевых опытно-методических работах применялась аппаратура TEM-Fast 48 [Барсуков и др., 2006] для метода ЗСБ и ВПШ (ЦГЭМИ ИФЗ РАН) для метода ВЭЗ-БВП. Интерпретация данных ЗСБ проводилась в программе TEM-Researcher [Барсуков и др., 2006].

Защищаемые положения

На защиту выносятся следующие научные положения:

1) Причиной быстропротекающей вызванной поляризации мерзлых пород является эффект Максвелла-Вагнера.

2) Зависимость интенсивности быстропротекающей вызванной поляризации мерзлых суглинков от льдистости близка к линейной.

3) Методы зондирования становлением поля в ближней зоне с учетом поляризационных параметров и вертикального электрического зондирования с измерением быстропротекающей вызванной поляризации позволяют разделять мерзлые породы по криопараметрам и выделять талые зоны, в том числе повышенного сопротивления.

Степень достоверности и апробация результатов

Представленные в работе результаты получены автором с помощью современного геофизического оборудования в ходе лабораторных и полевых экспериментов. Полученные результаты не противоречат данным, представленным в литературных источниках по данной тематике. На некоторых полевых объектах геофизические результаты, полученные автором, подтверждены данными бурения и других методов.

По теме диссертации опубликовано 3 работы в изданиях, входящих в перечень Scopus, Web of Science, RSCI и дополнительный список рецензируемых научных изданий для защиты в диссертационном совете МГУ при защите кандидатских диссертаций.

Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях:

1. XX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013» , МГУ имени М.В. Ломоносова, Россия, 9-13 апреля 2013

2. Инженерная геофизика 2013, г. Геленджик, Россия, 22-26 апреля 2013

3. Инженерная геофизика 2016, г. Анапа, Россия, 25-29 апреля 2016

4. XXIV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2017", МГУ имени М.В. Ломоносова, Россия, 17-21 апреля 2017

5. XXV Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2018. Секция "Геология", МГУ имени М.В. Ломоносова, Россия, 9-13 апреля 2018

6. Инженерная и рудная геофизика 2019, г. Геленджик, Россия, 22-26 апреля 2019

7. Near surface geoscience 2019, The Hague, The Netherlands, 8-12 сентября 2019 Структура работы

Диссертационная работа включает в себя введение, три главы, заключение, список литературы из 62 наименований, содержит 83 страницы и 40 рисунков.

Благодарности

Автор выражает благодарность научному руководителю к. ф.-м. н. А.Г. Яковлеву за всестороннюю помощь при подготовке данной работы. Автор глубоко признателен к. ф.-м. н. В.В. Агееву за возможность использования аппаратуры, участия в полевых работах и неоценимую помощь на многих этапах подготовки диссертации. Также автор выражает благодарность коллективу кафедры геофизических методов исследования земной коры за ценные советы.

Автор благодарен к. г.-м. н. Е.М. Чувилину и С.И. Гребенкину за возможность использования морозильной камеры и помощь при проведении лабораторных экспериментов.

Автор благодарит членов семьи за поддержку.

Глава 1. Электрические свойства мерзлых пород 1.1. Криолитозона как объект геофизического исследования

Составной частью геофизики является геофизика криолитозоны, изучающая значительную часть литосферы, которая постоянно или временно пребывает при отрицательных температурах, и породы которой обладают рядом специфических свойств.

Криолитозоной называется область земной коры, в которой присутствуют породы, имеющие нулевую или отрицательную температуру в течение ряда (не менее трех) лет [Ершов, 1990]. Многолетнемерзлые породы принято разделять на три группы: собственно мерзлые, морозные и охлажденные. Мерзлые характеризуются наличием льда, цементирующего частицы и заполняющего пустоты в породе. К таким породам относятся преимущественно дисперсные (обломочные, песчаные, глинистые) и трещиноватые. Морозные в свою очередь также имеют отрицательную температуру, но в них отсутствует лед, как правило это монолитные магматические или метаморфические породы [Ершов, 1990]. Третья группа - так называемые охлажденные породы. Их характерная особенность заключается в насыщенности высокоминерализованными растворами, которые остаются жидкими даже при небольших отрицательных температурах.

Криолитозона обладает рядом характерных черт, играющих важную роль в применении геофизических, в т.ч. электроразведочных методов для ее исследования [Зыков, 2007]:

1) Несплошное распространение мерзлых пород.

Многолетнемерзлые породы характеризуются несплошным

распространением, как в плане, так и в разрезе. Распространение криолитозоны с юга на север выглядит следующим образом: в южных районах она располагается отдельными островами среди талых пород, здесь мерзлые породы залегают в виде линз и имеют мощность до 25 метров, севернее располагается зона несплошных мерзлых пород, мощностью до 100 метров, характеризующаяся большим

количеством таликов, которые являют собой сквозные или несквозные участки непромерзших пород. Как правило, севернее криолитозона занимает все пространство, а мощность ее может достигать 1000-1500 метров. Разное пространственное положение немерзлых пород среди мерзлых определяет выделение различных категорий таликов по условиям их залегания и происхождения. Выделяют сквозные, несквозные, над-, под-, межмерзлотные и другие виды таликов. Важной особенностью мерзлых толщ, в т. ч. для электроразведки, является наличие слоя сезонного промерзания и протаивания. Таким образом, определение границ мерзлых и талых пород в плане и разрезе является одной из важнейших задач, стоящих перед геофизикой.

2) Изменение глубины залегания кровли и подошвы мерзлой толщи.

В зависимости от времени года в верхней части разреза криолитозоны происходят процессы сезонного промерзания и оттаивания. Мощность сезонноталого и сезонномерзлого слоев зависит как от географических (географическая широта, высота над уровнем моря, климат, рельеф и др.), так и от геологических факторов (литологический состав и влажность) и может варьироваться от первых десятков сантиметров до 10 и более метров. Пространственная и временная изменчивость нижней границы многолетнемерзлой толщи значительно менее резка по сравнению с положением верхней границы. На ее изменения могут влиять тектонические движения, эндогенные процессы, гидрогеологическая обстановка и др. факторы. С помощью геофизических методов решаются задачи определения положения кровли мерзлой толщи (инженерные изыскания) и ее подошвы (глубинные изыскания). Пример прослеживания кровли многолетнемерзлой толщи до глубины 40 метров приведен в работе [Агеев, Агеев, 2017]. Большой объем электроразведочных работ методами магнитотеллурического зондирования и зондирования становлением поля в ближней зоне, направленных в том числе на определение положения подошвы многолетнемерзлых пород до глубины порядка 1 км, обобщен в работе [Яковлев и др., 2018].

3) Изменение температуры пород во времени.

Одним из основных факторов при изучении мерзлых пород геофизическими методами является зависимость фазового состава воды от температуры. Большинство физических свойств пород криолитозоны, которые во многом определяются соотношением льда и незамерзшей воды, имеют ярко-выраженную температурную зависимость. Изучение изменяющегося во времени температурного поля, особенно в верхнем слое мерзлой толщи, является важной инженерной задачей. Отдельным направлением является лабораторное и полевое изучение самих зависимостей физических свойств мерзлых грунтов от температуры. Результаты измерения температурного поля представляются чаще всего в виде зависимости температуры от глубины и времени (рис. 1.1). Изучение свойств пород, меняющихся с изменением температуры, является целью геофизического мониторинга.

Рис. 1.1. Кривые изменения температуры пород: а — в зависимости от глубины в разные моменты времени; б— в зависимости от времени на разной глубине, м: 1— 0,4; 2— 2,0; 3— 2,4; 4— на воздухе; в— по разрезу во времени [Зыков, 2007].

4)Изменчивость состава и строения мерзлых пород.

Физические свойства мерзлых пород, наравне с литологическим составом, зависят от криологических факторов, таких как криотекстура, температура и др. Физические свойства пород четвертичного возраста при промерзании меняются в значительно большей степени, чем свойства коренных пород. Например, удельное электрическое сопротивление пород песчано-глинистого состава при переходе температуры через 0о может меняться в десятки-сотни раз. В свою очередь сопротивления скальных монолитных пород в мерзлом и талом состояниях обычно отличаются не более чем в два раза. Однако, это не распространяется на скальные породы с развитой трещиноватостью [Огильви, 1990].

Сильное влияние на физические свойства мерзлых пород оказывает наличие подземных льдов.

В зависимости от большого количества факторов, таких как: история формирования мерзлой толщи, возможность притока влаги, наличие жестких структурных связей в породах и др. — формируется широкий спектр разнообразных по морфологии и размерам подземных льдов. Подземные льды находятся в мерзлых породах в виде льда-цемента, ледяных шлиров и крупных ледяных тел различного происхождения [Зыков, 2007]. Изучение льдосодержания и определение положения ледяных тел в разрезе - важные задачи криологических исследований, вклад в решение которых вносят геофизические методы.

В мерзлых породах часто наблюдается анизотропия многих физических свойств. Это происходит за счет криогенной текстуры, под которой понимается характеристика сложения мерзлой породы, включающая ориентацию, расположение и распределение по объему шлиров льда различного размера. Проявление электрической анизотропии шлиросодержащих мерзлых пород рассмотрено в работе [Ялов, 2014].

5)Развитие и протекание специфических криогенных процессов.

Границы распространения мерзлоты и ее температурный режим постоянно

меняются. Наиболее интенсивно мерзлотная обстановка изменяется в результате

техногенного воздействия - строительства, эксплуатации инженерных

16

сооружений и др. В связи с этим особое внимание уделяется наблюдением за жизнедеятельностью криолитозоны как в естественных условиях, так и под воздействием техногенных факторов [Огильви, 1990]. Важнейшие процессы (выпучивание твердых тел из рыхлых отложений, просадка при оттаивании, развитие бугров пучения, наледеобразование, солифлюкция, термокарст, миграция влаги к фронту промерзания, морозобойное растрескивание, а также термоабразия и термоэрозия) могут негативно воздействовать на инженерные сооружения (выпучивание свай, неравномерная просадка зданий, прорыв подмерзлотных вод в техногенные талики с образованием наледей, деформация искусственных насыпей, полотен дорог и др.) [Зыков, 2007].

Условия развития потенциально опасных криогенных процессов представляют практический интерес с точки зрения прогнозных оценок их возможного проявления и способов предотвращения или защиты. С целью изучения этих процессов используются электрометрический, сейсмоакустический и термометрический мониторинги.

Все перечисленные особенности криолитозоны и задачи, решаемые в условиях ее распространения, обуславливают целесообразность применения геофизических (в первую очередь электроразведочных) методов. Т.к. криолитозона является крайне сложной и динамичной средой, изучение физических свойств многолетнемерзлых пород является одной из важнейших задач. Электрические свойства пород (как и акустические) являются наиболее чувствительными к промерзанию.

1.2. Удельное электрическое сопротивление

Параметр удельного электрического сопротивления мерзлых пород (УЭС) р

хорошо изучен для постоянного тока и достаточно низких частот. УЭС зависит от

нескольких факторов, основными из которых являются: сопротивление твердого

скелета, структура порового пространства и сопротивление заполняющей его

жидкости. Прохождение электрического тока через породу обеспечивается

присутствием в ней поровой жидкости (ионный механизм проводимости). При

17

замерзании породы существенная часть воды переходит в лед, поэтому токопроводящие каналы либо перекрываются вовсе, либо изменяют сечение и длину. Таким образом, при промерзании УЭС резко возрастает, и его скачок при переходе температуры через О0 является надежным индикатором перехода породы в мерзлое состояние.

Пример такой зависимости УЭС суглинков от температуры приведен на рисунке 1.2.

р, Ом м

30 ООО

10 ООО

3 000

1 000

300 -

100 -

О д Г» о

~"оо

0 30 -

1___1—-1-1——1-►

2 0 -2 -4 -6 —8 0, °С

Рис. 1.2. Зависимость УЭС мерзлых суглинков от температуры, полученная 1 - по данным ВЭЗ и термометрии в скважине в районе распространения суглинков с сетчатой криогенной текстурой, 2 и 3 - рассчитанные для льдистости 20% и 30% соответственно [Зыков, 2007].

На рисунке видно, что при переходе температуры через 0о происходит фазовый переход поровой воды в лед, и УЭС скачком возрастает с 60 до 400 Ом-м. При этом часть воды в порах остается незамерзшей. В основном это пленочная влага по поверхности минерального скелета, которая определяет оставшуюся проводимость породы. При дальнейшем понижении температуры постепенно замерзает и пленочная влага, и УЭС продолжает возрастать.

Для разных пород температурные зависимости УЭС разные. В крупнозернистых песках уже при -20 жидкой фазы практически не остается, и при дальнейшем понижении температуры УЭС возрастает слабо. В более дисперсных

породах (пылеватые пески, глины) даже при температуре -100 часть воды остается незамерзшей. В работе [Истомин и др., 2017] для определения содержания незамерзшей воды в мерзлых породах предложен экспресс-метод. Метод включает экспериментальное измерение зависимости активности поровой воды от весовой влажности образца грунта при положительной температуре и последующий термодинамический пересчет содержания незамерзшей воды в спектре отрицательных температур. В этой же работе по предложенному методу выполнен расчет содержания незамерзшей воды в глинистых грунтах каолинитового и полиминерального состава (рис. 1.3). Это объясняет плавный рост УЭС при понижении температуры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Агеев Дмитрий Владимирович, 2019 год

Список литературы:

1. Агеев В.В. Изучение процессов вызванной поляризации для решения криологических задач // Разведка и охрана недр, 2012, № 11. С. 46-49.

2. Агеев Д.В. Применение зондирования становлением поля для решения гидрогеологических задач в условиях криолитозоны на примере Новоуренгойского месторождения. Инженерные изыскания. - 2019. - Том XIII, № 3. - С. 40-47.

3. Агеев В.В., Агеев Д.В. Возможности метода вызванной поляризации при изучении мерзлых пород // Тезисы 9-ой научно-практической конференции и выставки «Инженерная геофизика 2013», Геленджик, 22-25 апреля 2013 г.

4. Агеев В.В., Агеев Д.В. Изучение мерзлых разрезов Якутии с помощью зондирования становлением поля в ближней зоне и вертикального электрического зондирования методом вызванной поляризации // Инженерная геология, 2017, №2. С. 64-69.

5. Агеев В.В., Светов Б.С., Амиантов А.С. Изучение вызванной поляризации в широком диапазоне времен (ВП-Ш) // Приборы и системы разведочной геофизики, 2006, №2. С.10-12.

6. Аксельрод С. М. Влияние частотной дисперсии электрических свойств мерзлых пород на результаты определения удельного сопротивления пластов (по материалам зарубежной литературы) // НТВ «Каротажник», 2007, № 10. С. 101-126.

7. Артеменко И.В., Кожевников Н.О. Моделирование эффекта Максвелла-Вагнера в мерзлых крупнодисперсных породах с порфировой структурой//Криосфера Земли, 1999, т.Ш, №1, с. 60-68.

8. Барсуков П.О., Файнберг Э.Б., Хабенский Е.О. ТЕМ-БаБ! технология малоглубинной электроразведки// Приборы и системы разведочной геофизики, 2006, №2. С.28-34.

9. Барсуков П.О., Файнберг Э.Б. Исследование окружающей среды методом переходных процессов с использованием ВП и СПМ эффектов // Физика Земли, 2002, №11, С.82-85.

10. Барсуков П.О. Импульсные электромагнитные зондирования в микросекундном диапазоне. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-матемагических наук. Москва, 2003.

11. Губатенко В.П. Эффект Максвелла-Вагнера в электроразведке // Физика Земли, 1991,№4. С. 88-98.

12. Губатенко В.П., Бердичевский М.Н., Б.С. Светов. Магнитотеллурическое зондирование вертикально-трещиноватых сред // Физика Земли, 1992, № 11. С. 3-17.

13. Гурин Г.В., Ильин Ю.Т., Титов К.В. Анизотропия вызванной поляризации пород с включениями электронопроводящих минералов// Тезисы 15-ой научно-практической конференции и выставки «Инженерная и рудная геофизика 2019», Геленджик, 22-26 апреля 2019 г., 9 стр.

14. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М.: Недра, 1990, 559 с.

15. Зыков Ю.Д. Геофизические методы исследования криолитозоны. М.: Изд-во МГУ, 2007, 272 с.

16. Истомин В. А., Чувилин Е. М., Буханов Б. А. Ускоренный метод оценки содержания незамерзшей воды в мерзлых грунтах// Криосфера Земли. — 2017. — Т. 21, № 6. — С. 134-139.

17. Кальнеус Е.В., Бизин М.А., Максимова Е.А., Козак С.З. Особенности применения ЯМР-зондирования для поиска подземных вод в криолитозоне Западной Сибири// Подземные воды востока России. Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XXII Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока с международным участием), 2018, с. 243-247.

18. Каменецкий Ф.М., Новиков П.В. Низкочастотная дисперсия электропроводности горных пород и ее влияние на индукционные переходные процессы. М.: АОЗТ «Геоинформмарк», 1996, 87 с.

19. Каменецкий Ф.М., Тригубович Г.М., Чернышев А.В. Три лекции о вызванной поляризации геологической среды// Мюнхен, Вела Ферлаг, 2014, 58 с.

20. Каменецкий Ф.М. Электромагнитные геофизические исследования методом переходных процессов// Москва, ГЕОС, 1997, 162с.

21. Кожевников Н.О. Быстропротекающая индукционно-вызванная поляризация в мерзлых породах// Геология и геофизика, 2012, т. 53, №4, с. 527-540.

22. Кожевников Н.О., Антонов Е.Ю., Захаркин А.К., Корсаков М.А. Поиск таликов методом ЗСБ в условиях интенсивного проявления индукционно-вызванной поляризации // Геология и геофизика, 2014, т. 55, №12, с. 18151827.

23. Кожевников Н.О., Никифоров С.П., Снопков С.В. Исследование быстропротекающих процессов вызванной поляризации в мерзлых породах // Геоэкология, 1995, №2, с. 118-126.

24. Кожевников Н.О. Быстропротекающая индукционно-вызванная поляризация в мерзлых породах// Геология и геофизика, 2012, т.53, №4, с.527-540

25. Кожевников Н.О., Антонов Е.Ю. Возбуждение переходных процессов вызванной поляризации с помощью источника напряжения// Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2017. XIII Междунар. науч. конгр. (г. Новосибирск, 17-21 апреля 2017). Сборник докладов.

26. Кожевников Н.О., Антонов Е.Ю. Быстропротекающая вызванная поляризация в мерзлых осадочных породах//У1 всероссийская школа-семинар по электромагнитным зондированиям Земли имени М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна. (г. Новосибирск, 2-7 сентября 2013 г.)

27. Кормильцев В.В. Переходные процессы при вызванной поляризации. М.: Наука,1980, 112 с.

28. Комаров В.А. Электроразведка методом вызванной поляризации// Л. Недра, 1980, 391с.

29. Компаниец С.В., Кожевников Н.О., Мурзина Е.В., Емельянов В.С.

Интерпретация данных зондирования становлением поля в ближней зоне с

учетом индукционно-вызванной поляризации при площадных

79

нефтегазопоисковых исследованиях на юге Сибирской платформы // Известия Сибирского отделения секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Геология, разведка и разработка месторождений полезных ископаемых. - 2019. - Т. 42. - № 2. - С. 151-164.

30. Крылов С.С., Бобров Н.Ю. Применение электромагнитных зондирований для исследования частотной дисперсии электрических свойств мерзлых пород // Криосфера Земли, 2002, т. VI, № 3, с. 59— 68.

31. Крылов С.С., Бобров Н.Ю. Частотная дисперсия электрических свойств мерзлых пород при электромагнитных зондированиях с вертикальным магнитным диполем //Физика Земли, 1997, №3 С. 64-70.

32. Мельчинов В. П., Башкуев Ю. Б., Ангархаева Л. Х., Буянова Д.Г. Электрические свойства криолитозоны Востока России в радиодиапазоне. Улан-Удэ. Издательство Бурятского научного центра СО РАН, 2006. - 257 с.

33. Молчанов А.А., Сидоров В.А. Вопросы поляризации горных пород (сборник). ВНИИГИС. Деп. в ВИНИТИ, 1985, 108 с.

34. Оленченко В.В. Изучение информативности метода ранней стадии вызванной поляризации (РСВП) при решении задач геокриологии. Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. Томск, 2002.

35. Павленко В. И., Коротков Ю.В. Особенности и экономическая эффективность использования электроразведочного метода переходных процессов для инженерно-геологических изысканий в районах Севера и Арктики России // Арктика: экология и экономика, 2012, № 4, с. 40-45.

36. Сафонов А.С. Высокоразрешающая электроразведка (аномальные явления, регистрируемые переходными характеристиками электромагнитного поля). М.: АОЗТ «Геоинформмарк», 1995, 63 с.

37. Светов Б.С. О частотной дисперсии электрических свойств среды.// Физика Земли, 1992, №4, с.62-70

38. Светов Б.С. Основы геоэлектрики// Москва, Изд-во ЛКИ, 2008, 656с.

80

39. Светов Б.С., Агеев В.В., Лебедева Н.А.. Поляризуемость горных пород и феномен высокоразрешающей электроразведки // Научно-технический журнал ЕАГО «Геофизика», 1996, №4, с. 42-52.

40. Сидоров В.А. Импульсная индуктивная электроразведка. М.: Недра, 1985, 192 с.

41. Сидоров В.А. Об электрической поляризуемости неоднородных сред // Физика Земли, 1987, №10. С. 58-64.

42. Стогний В.В. Импульсная индуктивная электроразведка при изучении поляризующейся среды криолитозоны Якутской кимберлитовой провинции // Криосфера Земли, 2008, т. 12, № 4. С. 46-56.

43. Стогний В. В. Импульсная индуктивная электроразведка таликов криолитозоны Центральной Якутии. Якутск, 2003. - 124 с.

44. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982 г.-320 с.

45. Филатов В. В., Полетаева Н. Г., Нигматуллин Р. Р. Об эффектах вызванной поляризации во фрактальных средах // Геология и геофизика, 2000, т. 41, № 10, с. 1203-1216.

46. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино.: ОНТИ ПНЦ РАН, 1998, 515 с.

47. Хмелевской В. К. Электроразведка. М.: Изд-во МГУ, 1984.

48. Шестернев Д.М., Карасев А.П., Оленченко В.В. Исследование криолитозоны методом РСВП. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2003, 238 с.

49. Яковлев Д. В., Яковлев А. Г., Валясина О. А. Изучение криолитозоны северного обрамления Сибирской платформы по данным региональных электроразведочных работ // Криосфера Земли. — 2018. — Т. 22, № 5. — С. 77-95.

50. Ялов Т. В. Электрическая анизотропия горизонтально-неоднородных сред. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2014.

51. Alvarez R. Complex dielectric permittivity in rocks: a method for its measurement and analysis // Geophysics, 1973, v. 38, № 5, p. 920—940.

52. Barsukov P., Fainberg E. Mapping bedrock topography and moraine deposits by transient electromagnetic sounding: Oslo graben, Norway // Near Surface Geophysics. — 2019. — Vol. 17, no. 5.

53.Barsukov P., Fainberg E. On the locality of transient electromagnetic soundings with a single-loop configuration // Izvestiya - Physics of the Solid Earth — 2018. — Vol. 54, no. 2. — P. 349-358.

54. Cole K.S., Cole R.H. Dispersion and Absorption in Dielectrics // Journal of Chemical Physics. - 1941. - Vol. 9. - pp. 341-351.

55. Kozhevnikov, N.O., Antonov, E. Fast-decaying IP in frozen unconsolidated rocks and potentialities for its use in permafrost-related TEM studies. Geophysical Prospecting. - 2006 - Vol.54. - p. 383 - 397.

56. Kozhevnikov, N.O., Antonov, E. Inversion of TEM data affected by fast-decaying induced polarization: Numerical simulation experiment with homogeneous half-space// Journal of Applied Geophysics. - 2008. -Vol. 66. - p. 31-43.

57. Lesmes D.P., Frye K.M. Influence of pore fluid chemistry on the complex conductivity and induced polarization responses of Berea sandstone // Journal of Geophysical Research. - 2001. - Vol. 106. - No. B3. - pp. 4079-4090.

58. Matthews Ph., Zonge K.L. State of the art in IP and complex resistivity // KEGS 50th Anniversary Symposium: Mining and Environmental Geophysics - Past, Present & Future. - 2003. - Toronto, Ontario.

59. Pelton W.H., Sill W.R., Smith B.D. Interpretation of complex resistivity and dielectric data // Geophysical Transactions. - 1983. - Vol.29. - No.4. - pp. 297330.

60. Zonge K.L. In-situ mineral discrimination using a complex resistivity method // Geophysics. - 1972. - Vol. 38. - p. 197.

61. Zonge K.L., Hughes L.J. The complex resistivity method. - Tucson: [s.n.], 1980.

62. Zorin N., Ageev D. Electrical properties of two-component mixtures and their application to high-frequency IP exploration of permafrost // Near Surface Geophysics. — 2017. — Vol. 15, no. 6. — P. 603-613.