Частотно-дистанционные электромагнитные зондирования сред с дисперсией удельного электрического сопротивления

В последние годы в геоэлектрике заметен устойчивый интерес к наблюдаемым при работах индуктивными методами процессам и явлениям, которые не находят объяснения в рамках классических представлений об электрических свойствах горных пород. Теория современных электромагнитных методов разведки основывается на решении уравнений Максвелла в кусочно-однородных средах, характеризующихся набором материальных констант — a, jli, е. Большинство горных пород являются немагнитными средами, для которых ju = ju о= 4п-10~7 Гн/м. В однородной среде, а характеризует движение свободных зарядов, происходящее синфазно с возбуждающим электрическим полем — ток проводимости, s — колебательное движение связанных зарядов — ток смещения, сдвинутый по фазе на к/ 2 относительно поля. Электромагнитное поле связано с параметрами среды через волновое число к, квадрат которого к2 = icojucj — СО2¡-LIE, где со r2jrf7 f — частота поля. Как правило, в диапазоне частот 1 кГц — 1 МГц, используемом в низкочастотной индуктивной электроразведке, пренебрегают влиянием токов смещения, полагая сое «о, и рассматривают квазистационарную модель поля, для которой к — -yjicujua .

Реальные горные породы являются сложными гетерогенными полифазными образованиями. При протекании в них электрического тока на границах неоднородных по электрическим свойствам областей происходят сложные электрофизические и электрохимические процессы, сопровождаемые макроскопическим разделением зарядов, т. е. поляризацией. Движение носителей заряда в поляризующейся среде происходит с дополнительным, зависящим от частоты, сдвигом фаз по отношению к первичному полю, а значит, электропроводность среды становится комплексной и частотно-зависимой. Таким образом, поляризация горной породы приводит к частотной дисперсии ее электрических свойств, хотя в геофизической литературе эти термины часто используют как синонимы, не разделяя причину и следствие. Чтобы подчеркнуть различие с частотной дисперсией в ИК, оптическом и УФ диапазонах, вызываемой поляризацией атомов и молекул вещества, в геоэлектрике применяют термин «низкочастотная дисперсия» (НЧД). Во временной области параметры поляризующейся среды обладают переходной характеристикой, т. е. последействием или памятью.

В диапазоне частот ниже 1 кГц переходные процессы, регистрируемые при возбуждении геологической среды ступенью тока или напряжения, традиционно объединяют названием «вызванная поляризация» (ВШ и используют при работах одноименным методом электроразведки. Результаты экспериментального и теоретического изучения явления ВП в нашей стране и применения метода ВП обобщены в монографиях В. А. Комарова [28], Б. И. Геннадиника [8], С. М. Шейнмана [62], В. В. Кормильцева и А. М. Мезенцева [30], А. В. Куликова и Е. А. Шемякина [38] и др. Установлено, что причиной ВП в этом частотном диапазоне в ионопроводящих горных породах являются электродиффузионные процессы в капиллярах переменного сечения, а в породах, содержащих электронопроводящие включения — процессы электролиза на контакте поро-вого раствора и электронного проводника. При этом определяющим для поляризации является существование двойного электрического слоя на границе твердой и жидкой фазы. Процесс поляризации считается линейным по отношению к полю или плотности тока, используемым на практике.

Теория метода ВП обычно строится в предположении того, что к моменту начала измерений ЭДС ВП электродинамические переходные процессы уже закончились, хотя возможность их учета на ранней стадии переходного процесса ВП рассматривается [30]. С другой стороны, классическая электроразведка традиционно пренебрегала влиянием ВП при индуктивном возбуждении. Было принято считать, что поляризационные процессы в горных породах имеют достаточно большие постоянные времени (от единиц миллисекунд до минут и даже часов) и могут не учитываться в большинстве методов электроразведки на переменном токе, использующих частотный диапазон 1 кГц-1 МГц. Практика, однако, показала, что многие явления, наблюдаемые при электромагнитных зондированиях, могут быть объяснены, только если принять во внимание вызванную поляризацию среды (частотную дисперсию ее электрических свойств). При этом исследователи столкнулись с поляризационными процессами более быстрыми, чем изучаемые методом ВП, с постоянными времени 10 ^ - 10 «4 с, сигнал от которых становится сравним с сигналом индукционного становления уже на ранней стадии измерений во временной области. При частотной дисперсии эффективная низкочастотная диэлектрическая проницаемость может достигать аномально больших величин, поскольку к обычному току смещения, определяемому диэлектрическими свойствами горной породы, добавляется ток смещения, вызванный накоплением зарядов вследствие поляризации. Это означает, что даже в том частотном диапазоне, где обычно использовалась квазистационарная модель поля, может возникнуть ситуация, когда с. Осознание этого факта, вместе со многими другими, позволило сформулировать необходимость перехода от классической к «неклассической» геоэлектрике, учитывающей гетерогенность и полифазность геологической среды и многообразие процессов, протекающих в ней при электромагнитном возбуждении [50]. Таким образом, намечается своего рода синтез подходов ВП и индуктивной электроразведки.

Наиболее известными проявлениями ВП в электроразведке являются процессы со сменой знака ЭДС становления при зондированиях становлением поля в ближней зоне (ЗСБ), интерес к которым в России возрос со второй половины 60-х годов, когда в ходе производственных работ этим методом в НВНИИГТ был накоплен большой объем экспериментального материала. Необходимость объяснения этого явления стимулировала в 70-е — 80-е гг. проведение теоретических и экспериментальных исследований влияния ВП при электромагнитных зондированиях (ЭМЗ), большой вклад в которые внесли В. А. Сидоров, А. М. Яхин, А. А. Молчанов, В. В. Тикшаев, А. А. Петров, В.В.Кор-мильцев, А. М. Мезенцев, Ф. М. Каменецкий, В. П. Губатенко, Б. С. Светов, М. Н. Бердичевский и др. За рубежом ряд работ в этом направлении выполнили M.F.Flis, G.W.Hohmann, T. Lee, G.A.Newman, A.P.Raiche, R.S.Smith, G.F.West, P. Weidelt и др. В результате исследований была подтверждена поляризационная природа немонотонно, в том числе со сменой знака, затухающих сигналов становления, определены условия, при которых могут наблюдаться такие сигналы. Особое внимание бьшо обращено на связь НЧД с феноменом высокоразрешающей электроразведки.

Большинство теоретических исследований НЧД выполнялось в рамках феноменологического подхода, применение которого, безусловно, оправдано на начальном этапе, так как позволяет количественно охарактеризовать явление ВП с помощью небольшого числа параметров, которым затем можно попытаться дать физическое содержание. Чаще всего в задачах геоэлектрики для описания комплексной электропроводности используется формула Коула-Коула, параметры которой подбираются, чтобы воспроизвести характерные особенности наблюдаемых переходных процессов. В то же время остается нерешенным вопрос о физической природе поляризационных явлений, приводящих к частотной дисперсии электрических свойств среды в килогерцовом диапазоне. Имеющиеся данные лабораторных измерений электрических свойств образцов горных пород противоречивы, и в большинстве случаев не могут быть напрямую соотнесены с оценками параметров ВП, получаемыми по результатам ЭМЗ. Исключением являются работы Ф. М. Каменецкого и П. И. Новикова по физическому (аналоговому) моделированию индукционных переходных процессов в поляризующейся среде, подтвердившие влияние состава влагонасыщенной песчано-глинистой смеси на момент смены знака сигнала становления [20]. Проблема заключается в том, что электрические параметры горных пород в условиях их естественного залегания, определяемые при ЭМЗ, могут отличаться от тех же параметров, измеряемых в масштабах образца в лаборатории (в особенности это справедливо в отношении мерзлых пород). Одной из причин дисперсии может являться макроскопическая неоднородность геологической среды. Если среда содержит тонкие высокоомные прослои («природные конденсаторы»), эффект Максвелла-Вагнера может приводить к заметной частотной дисперсии ее электрических свойств в макромасштабе. Исследованию роли этого эффекта в горных породах посвящено значительное число работ.

Особое место среди известных поляризующихся сред занимают мерзлые породы. Промерзание резко увеличивает неоднородность горной породы, как на макро-, так и на микроуровне, что повышает вероятность возникновения поляризационных явлений. Структурные особенности строения мерзлых пород, определяющие их электрические свойства, позволили Б. П. Геннадиннику в своей классификации горных пород при моделировании явления ВП выделить их в особую группу, наряду с ионопроводящими скальными и рыхлыми породами. При ЭМЗ в районах распространения вечной мерзлоты неоднократно наблюдались процессы становления со сменой знака сигнала (Якутия [44], п-ов Тазовский [17], Бурятия [27], Аляска [86]). Мерзлые породы демонстрируют большое разнообразие условий, способствующих поляризации, так как при каждой отрицательной температуре порода одного и того же литологического состава фактически представляет собой среду с отличными электрическими свойствами [58]. Поэтому мерзлые породы являются чрезвычайно интересным объектом с точки зрения изучения НЧД и проверки гипотез о физической природе поляризационных явлений.

До настоящего времени в ходе исследований влияния НЧД при ЭМЗ основное внимание уделялось эффектам во временной области при зондированиях методом становления поля. Это неудивительно, так как основной объём работ в индуктивной электроразведке с контролируемыми источниками поля выполняется именно этим методом. Однако при изучении верхней части разреза (ВЧР) достаточно широко применяются также методы, в которых используются гармонически меняющиеся поля. Очевидно, частотная дисперсия будет влиять и на результаты зондирований в частотной области, но математическое моделирование с учетом дисперсии до сих пор выполнялось лишь для частотных зондирований в дальней зоне и для МТЗ. При исследованиях небольших глубин (несколько десятков метров) используются портативные установки небольшой мощности с рабочим диапазоном частот, который не позволяет эффективно проводить зондирования ВЧР по стандартной методике 43, так как при небольших разносах и обычных (десятки-сотни Омм) значениях сопротивлений осадочных пород трудно соблюдать условие дальней зоны. В малоглубинной электроразведке с гармоническими источниками поля наибольшее применение нашли частотно-дистанционные изопараметрические зондирования (ИЗ) по методике Г. В. Молочнова [41], выполняемые в средней зоне источника, а также дистанционные зондирования (ДЗ) по методике А. В. Вешева [6]. Следует отметить, что хотя последние выполняются на фиксированной частоте, их результаты также могут быть искажены частотной дисперсией вследствие нарушения условий квазистационарной модели поля, в рамках которой обычно проводится интерпретация.

Дисперсия при зондированиях, выполняемых в частотной области, никогда ранее не выявлялась на практике. Между тем, эта задача является актуальной как с точки зрения повышения достоверности геологической интерпретации результатов ЭМЗ, так и при исследованиях собственно НЧД как природного феномена. Неоднократно отмечалось, что поляризационные эффекты на кривых зондирований могут рассматриваться не только как искажающая результат помеха, но и как источник дополнительной информации о строении и физических свойствах геологической среды. С этой точки зрения применение частотных зондирований может иметь особое значение. Известно, что при зондированиях становлением поля часто затруднительно определить, глубинный или поверхностный эффект НЧД имеет место в каждом конкретном случае. Одновременное проведение зондирований в частотной области позволит независимо оценить параметры НЧД (поляризуемость, время релаксации) и уменьшить неоднозначность интерпретации кривых, так как зондирования этими методами проводятся в разных зонах источника поля.

При работах на Крайнем Севере в районах распространения вечной мерзлоты сотрудниками электроразведочной партии отдела физики Земли НИИФ СПбГУ неоднократно наблюдались эффекты, которые с современных позиций могут быть связаны с

НЧД *.Однако длительное время это явление специально не исследовалось, а искаженные полевые кривые отбраковывались, что, впрочем, было характерно и для ранней стадии работ методом становления поля. Впервые характерные искажения кривых частотно-дистанционных ИЗ, которые можно было определенно интерпретировать как следствия НЧД, были выявлены на п-ове Ямал в начале 90-х годов. Одновременно выполняемые ЗСБ с совмещёнными петлями, в том числе и независимо геофизиками из НВНИИГТ (г.Саратов), дали многочисленные примеры немонотонных переходных процессов. НЧД проявлялась в килогерцовом диапазоне частот при зондированиях разрезов, содержащих сильно льдистые глины и суглинки морского происхождения. Появилась возможность связать поляризационные явления с определенным типом мерзлых отложений, однако для этого необходимо было сначала провести теоретические расчеты кривых зондирований над поляризующимися разрезами, чтобы решить более общий вопрос, как вообще дисперсия искажает результаты частотных зондирований слоистых разрезов, выполняемых в средней зоне источника. Исследование проявлений низкочастотной дисперсии электрических свойств горных пород при ЭМЗ с вертикальным магнитным диполем в частотной области составило основной предмет предлагаемой диссертации. Полученные теоретические результаты были затем применены для экспериментального изучения мерзлых поляризующихся пород в условиях их естественного залегания методами ЭМЗ.

В работе решались следующие основные задачи:

1. Исследование методом математического моделирования влияния НЧД при частотно-дистанционных и дистанционных зондированиях слоистых разрезов с поляризацией в одном из слоев.

2. Выявление мерзлых пород, для которых характерна низкочастотная дисперсия электрических свойств, проявляющаяся при электромагнитных зондированиях в килогерцовом диапазоне частот.

3. Оценка параметров НЧД в мерзлых породах по данным электромагнитных зондирований на п-ове Ямал.

4. Сравнение этих оценок с имеющимися данными об электрических свойствах мерзлых пород по измерениям на образцах. В. Н. Рыбакин, частное сообщение.

В ходе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены новые научные результаты:

— определены основные закономерности проявления дисперсии на кривых частотно-дистанционных зондирований в средней зоне источника поля,

— впервые экспериментально обнаружено влияние низкочастотной дисперсии в килогерцовом диапазоне при полевых ЭМЗ в частотной области,

— впервые параметры НЧД (поляризуемость, время релаксации) в горных породах определены по результатам ЭМЗ как в частотной, так и во временной области,

— дисперсия, выявленная по результатам ЭМЗ, рассмотрена в рамках конкретной модели поляризации (эффекта Максвелла-Вагнера на тонких изолирующих перегородках), и получены количественные оценки параметров геометрической модели среды,

— впервые проведено сравнение оценок электрических параметров мерзлых пород, полученных в результате полевых электромагнитных исследований, с результатами лабораторных измерений тех же параметров для пород сходного состава, и показано их соответствие.

Исследование влияния дисперсии проводилось в рамках феноменологического подхода, обоснование которого, а также обзор современного состояния проблемы НЧД в электроразведке, составляют содержание 1-й главы диссертации. Результаты теоретических расчетов влияния дисперсии при ИЗ и ДЗ над слоистыми разрезами представлены во 2-й главе. Эти расчеты позволили выяснить, как дисперсионные искажения зависят от параметров поляризующегося слоя и параметров установки. 3-я глава посвящена анализу полевого материала и результатам интерпретации данных ИЗ и ЗСБ, на основании которой были получены оценки параметров НЧД в мёрзлых глинистых породах на п-ове Ямал. В 4-й главе диссертации предпринята попытка определить геометрические и электрические характеристики поляризующейся среды в предположении о том, что частотная дисперсия вызывается эффектом Максвелла-Вагнера на льдистых неоднородностях, и проведено сравнение оценок параметров дисперсии по результатам ЭМЗ с имеющимися в литературе данными измерений электрических свойств мерзлых пород на образцах.

Результаты работы позволяют сформулировать следующие защищаемые положения:

1. Низкочастотная дисперсия существенно искажает кривые частотно-дистанционных изопараметрических зондирований. Если поляризующийся слой подстилается вы-сокоомным основанием, уменьшение кажущейся продольной проводимости при уменьшении частоты может служить характерным признаком дисперсионных искажений. При отсутствии значительных искажений частотная дисперсия может быть выявлена при проведении изопараметрических зондирований с разными значениями параметра установки.

2. Искажения кривых электромагнитных зондирований на п-ове Ямал вызваны частотной дисперсией удельного электрического сопротивления мерзлых засоленных суглинков, залегающих в пределах верхних 15 м разреза. Характерные искажения кривых ИЗ наблюдаются в тех же точках, что и переходные процессы с двукратной сменой знака сигнала при ЗСБ. Оценки параметров дисперсии по данным зондирований в частотной и временной области хорошо согласуются между собой.

3. Частотная дисперсия в мерзлых ямальских суглинках имеет место в килогерцовом диапазоне частот (постоянная времени релаксации (4-^8) — 10~б с) и характеризуется аномально высокими значениями поляризуемости (0.4−0.6) и эффективной диэлектрической проницаемости на низких частотах (5000−18 000 отн.ед.).

Исследования по теме диссертации выполнялись автором в лаборатории геоэлектрики отдела физики Земли НИИФ СПбГУ в рамках проектов, финансируемых РФФИ (гранты № 95−05−14 756, № 96−05−79 064) и Минвузом России, в которых автор принимал участие в качестве исполнителя, и при финансовой поддержке администрации г. Санкт-Петербурга (грант №М97−2.5К-324) в категории кандидатский проект). Основные результаты работы докладывались на научной конференции «Теория и практика магнитотеллурических зондирований» (Москва, 1994), конференции молодых ученых «Геофизика-97» (Петродворец, 1997), международной геофизической конференции «Москва — 97», на 58-й и 60-й международных конференциях БАЕв (Амстердам, 1996, Лейпциг, 1998), ежегодных совещаниях объединенного Научного Совета по криологии Земли (Пущино, 1995;97 гг), а также на объединенном семинаре СПбГУ по проблемам частотной дисперсии (1997). По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Автор выражает глубокую благодарность своему руководителю С. С. Крылову за постановку задачи и научное руководство на всех этапах выполнения работы. Автор искренне признателен инженеру Б. В. Степанову за обсуждение проблем, связанных с измерением процесса становления поля на ранних временах, а также магистрантам кафедры физики Земли И. В. Сороке и В. А. Любчичу, принимавшим участие в полевых экспериментах.

Выводы по главе 4 :

1. Сравнение оценок удельного электрического сопротивления и постоянной времени релаксации для мерзлых засоленных ямальских суглинков по данным ЭМЗ с данными измерений на образцах показывает, что эти оценки лежат между значениями, характерными для мерзлых незасоленных и засоленных талых глинистых пород.

2. Аномально высокие значения низкочастотной диэлектрической проницаемости ямальских суглинков по данным ЭМЗ не противоречат результатам лабораторных измерений электрических свойств мерзлых пород.

3. Оценка параметров поляризующейся среды по данным ЭМЗ в рамках моделей эффекта Максвелла-Вагнера (модель тонких изолирующих слоев, модель перегороженного порового канала) дает относительную толщину плохопроводя-щих прослоев порядка 10−4-10″ 3. Такая величина представляется слишком малой для реальных мерзлых пород, таким образом, рассмотренный механизм поляризации не вполне адекватно описывает процессы, протекающие в мерзлой породе при воздействии электромагнитного поля.

4. Для более полного описания поляризационных явлений в мерзлых тонкодисперсных породах необходимо ввести в рассмотрение модели, учитывающие существование воды в мерзлой породе как в свободной, так и в связанной формах, а также реальную геометрию порового пространства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных теоретических и экспериментальных исследований влияния

НЧД при электромагнитных зондированиях с ВМД в частотной области получены следующие результаты:

1. Выполнены теоретические и экспериментальные расчеты кривых изопараметриче-ских зондирований двух-, трехи четырехслойных разрезов с дисперсией в одном из слоев. На основании этих расчетов определены основные закономерности проявления дисперсии на кривых зондирований, которые в некоторых случаях позволяют выявлять влияние дисперсии по внешнему виду кривых.

2. Предложена методика зондирований с разными значениями параметра установки, которая в случае, если диспергирующий слой подстилается слоем более высокого удельного сопротивления, позволяет по кривым рк (8к) выделять дисперсию при отсутствии характерных искажений.

3. Проведены теоретические расчеты кривых дистанционных зондирований с дисперсией в одном из слоев. Показано, что, хотя в общем случае кривые дистанционных зондирований мало подвержены дисперсионным искажениям, при сот ~ 1 могут наблюдаться заметные отклонения от палеточных кривых.

4. Впервые экспериментально обнаружено влияние низкочастотной дисперсии в ки-логерцовом диапазоне при полевых ЭМЗ в частотной области. На кривых частотно-дистанционных изопараметрических зондирований, выполнявшихся в разных точках на территории Бованенковского ГКМ (п-ов Ямал), выявлены характерные искажения, имеющие дисперсионную природу. Установлено, что дисперсией электрических свойств обладают мерзлые засоленные суглинки морского происхождения, залегающие в пределах верхних 10−15 м мерзлой толщи.

5. Получены примеры немонотонных переходных процессов, в том числе со сменой знака сигнала, при зондированиях становлением поля в ближней зоне, выполнявшихся вместе с изопараметрическими зондированиями, которые подтверждают наличие частотной дисперсии в мерзлых породах, слагающих разрез в районе работ

6. С помощью теоретических расчетов кривых зондирований удалось подобрать геоэлектрическую модель, удовлетворяющую экспериментальным данным как для ИЗ, так и для ЗСБ. Получены оценки параметров дисперсии (?], г, р,) для мерзлых засоленных ямальских суглинков.

7. Низкочастотная дисперсия в мерзлых суглинках рассмотрена в рамках модели эффекта Максвелла-Вагнера в проводящей среде, содержащей тонкие изолирующие прослои. Оценкам параметров дисперсии по данным ЭМЗ соответствует относительная толщина изолирующих прослоев 1(Х3−10″ 4, что нереально для мерзлых пород в условиях их естественного залегания. Этот результат указывает на необходимость рассмотрения моделей, более адекватно описывающих процессы поляризации в мерзлых породах.

8. Проведено сравнение оценок электрических параметров мерзлых суглинков, полученных в результате полевых электромагнитных исследований, с опубликованными данными по породам сходного состава, которое показало соответствие наших оценок результатам лабораторных измерений электрических свойств мерзлых пород.

Полученные результаты важны для учета дисперсионных явлений при электроразведочных работах индуктивными методами. Одновременное проведение зондирований в частотной и временной областях при исследованиях диспергирующих сред позволит, по нашему мнению, извлекать дополнительную информацию о разрезе, о чем давно ведется речь в дискуссиях по НЧД. Если совместно с ЗС и 43 проводить дистанционные зондирования, которые искажаются дисперсией в меньшей степени, то комплексная интерпретация данных, полученных этими методами, при разработке соответствующих алгоритмов, должна уменьшить неоднозначность решения обратной задачи. В ряде случаев информация о параметрах дисперсии может иметь не меньшую ценность, чем данные о сопротивлениях и границах слоев, извлекаемые при традиционной обработке. При исследованиях мерзлоты параметры частотной дисперсии могут быть индикатором физического состояния мерзлых пород, поэтому применение электромагнитных методов представляется перспективным в задачах мониторинга мерзлых толщ. В этом плане проблема низкочастотной дисперсии еще ждет своего исследователя.