Исследование меняющихся во времени естественных электрических полей Земли с целью выявления закономерностей их формирования и совершенствования метода естественного электрического поля

Актуальность исследований. Проведенная работа нацелена на получение новых геологических данных в ходе изучения геофизических полей Земли во времени. Это направление является одним из приоритетных в развитии современной геофизики. Большинство появляющихся новых геофизических методов основано на характеристиках полей, зависящих от времени. Диапазоны изучения различных процессов варьируют во времени от микросекунд до десятков лет. Регистрируемые при этом данные несут информацию двух типов: квазистатическую — о строении геологической среды и динамическую — о протекании современных геодинамических процессов в слоях планеты. При решении задач, очерченных первым типом, используются непродолжительные наблюдения от микросекунд до десятков часов. Извлечение данных второго типа осуществляется путем более длительных исследований. На пересечении этих направлений находится изучение суточных изменений геофизических полей.

В середине прошедшего века А. С. Семеновым с коллегами [42] было открыто и начато изучение особого вида земных электрических полей, названного ими меняющиеся во времени поля. Как установлено этими исследователями, меняющиеся во времени поля проявляются на локальных участках и выражаются в интенсивных флуктуациях естественного электрического поля (ЕП) с периодом около 24 часов. В геологическом и геоморфологическом аспектах они отмечались над различными горными породами на свободных от крупной растительности склонах южной экспозиции. Природа происхождения этого вида полей объяснялась электрокинетическими явлениями, протекающими под воздействием изменяющейся в течение суток температуры поверхности Земли. Глубина распространения этого явления, по мнению авторов, ограничивается самой верхней частью геологического разреза (первые десятки сантиметров). Дальнейшие исследования, проведенные Ю. С. Рыссом [38], на основании установленной им приуроченности меняющихся во времени полей к гидротермально измененным породам и рудоносным участкам позволили выделить их как один из поисковых признаков. Важное практическое приложение эти поля получили в работах С. Ю. Баласаняна. Большинство исследований под его руководством проводилось на рудных объектах различных типов с целью разбраковки аномалий, получаемых комплексом традиционных геофизических методов. Ряд наблюдений за меняющимися во времени полями был выполнен для решения инженерно-геологических задач, связанных с прогнозом развития мерзлотных и оползневых процессов, а также современной активности тектонических разломов.

Все перечисленные объекты являются зонами высокой концентрации двойных электрических слоев. Как показано Ю. С. Рыссом [3 7], в таких зонах в зависимости от термодинамических условий происходит накопление или высвобождение энергии, в частности, электрической. С. Ю. Баласанян [9] называет такие объекты (зоны) энергоактивными. По предложенной им гипотезе меняющиеся во времени поля являются выражением энергоактивности геологических образований в ЕП и генерируются при воздействии на горные породы внешних факторов. Такими факторами могут быть суточные колебания температуры и атмосферного давления, гравитационные приливы и отливы, а также вариации магнитотеллурического поля и атмосферного электричества. При этом на ряду с приповерхностными электрокинетическими явлениями часть источников меняющихся во времени полей имеет глубинный характер. Натурные эксперименты позволили расширить круг геологических, геоморфологических и ландшафтных условий проявления этого типа полей. Выдвинуто предположение, что, являясь чуткими датчиками состояния геологической среды от приложенного внешнего воздействия, энергоактивные объекты перспективны для длительных наблюдений за современными геодинамическими (сейсмическими) процессами.

Все выше приведенные исследования меняющихся во времени полей базировались на непродолжительных наблюдениях длительностью первые сутки зачастую с не регулярными в течение суток замерами. Остается открытым вопрос о закономерностях формирования меняющихся во времени полей в зависимости от внешних факторов.

Обширные эмпирические данные о вариациях ЕП накоплены в результате изучения сейсмоэлектрических явлений и теллурического поля Земли.' В настоящее время предложено более полутора десятков механизмов формирования флуктуаций ЕП, но до сих пор нет единого понимания этого процесса. Отсюда вытекает и несогласованность понятийно-терминологической базы.

Помимо самостоятельной значимости, меняющиеся во времени поля выступают как помеха при проведении геофизических съемок методом естественного электрического поля (ЕЭП). С этой стороны в «Инструкции по электроразведке» [19] нет положений, регламентирующих действия при работах в условиях проявления этого типа полей.

Все перечисленные причины дают основание считать исследования меняющихся во времени естественных электрических полей интересными не только в научно-познавательном аспекте, но и актуальными в прикладном отношении.

Объект исследований — меняющиеся во времени естественные электрические поля.

Предмет исследований — пространственно-временные закономерности формирования меняющихся во времени естественных электрических полей.

Цели исследований;

1. Изучение меняющихся во времени естественных электрических полей в аспекте их взаимосвязи с геологическими, геоморфологическими и метеорологическими обстановками;

2. Разработка рекомендации по проведению контрольных наблюдений при работах методом ЕЭП в условиях интенсивных меняющихся во времени естественных электрических полей.

Основные задачи, решаемые в ходе исследований:

1. Выбор объектов для длительных наблюдений за меняющимися во времени естественными электрическими полями;

2. Адаптация методики полевых исследований меняющихся во времени полей под длительные измерения;

3. Определение методических приемов обработки получаемых данных;

4. Изучение и анализ геологических, ландшафтно-геоморфологических и метеорологических условий проводимых натурных экспериментов;

5. Выявление закономерностей меняющихся во времени естественных электрических полей по результатам длительных наблюдений;

6. Оценка возможности проведения контрольных измерений в условиях высокого уровня меняющихся во времени естественных электрических полей, отвечающих по величине погрешности требованиям инструктивных документов.

Методы исследований. Сбор данных о меняющихся во времени естественных электрических полях и вариациях метеорологических факторов проводился в ходе натурных экспериментов. Полученные материалы подвергались математической обработке, включающей расчет параметров с целью количественной характеристики полей, статистический и корреляционный анализы. Графики полученных временных рядов и рассчитанных по ним параметров подвергались анализу путем их сопоставления между собой и с результатами геологической и геофизической съемки.

Достоверность. Фактический материал базируется на наблюдениях ЕП в течение трех летних полевых сезонов: в 1997 г. — 12 суток на 14 точках, в 1998 г. — 22 суток на 15 точках, в 1999 г. — 18 суток на 49 точках. Интервалы между замерами на отдельных точках были регулярными и составляли в 1997 и 1998 гг. 1 час, в 1999 г. — 2 часа. Оценка качества полевых исследований меняющихся во времени ЕП осуществлялась по средней разности основных и контрольных измерений, которая не превышала 5 мВ. Результаты наблюдений многократно повторены в течение трех полевых сезонов. Изучение геологических условий и квазистатических геофизических полей на опытном участке отвечает требованиям, соответствующим съемкам масштаба 1:10 000.

На защиту выносятся следующие научные положения;

1. Суточная составляющая меняющихся во времени естественных электрических полей как реально существующее геофизическое явление фиксируется на протяжении длительных временных интервалов и заключается в ярко выраженных квазисинусоидальных колебаниях значений потенциалов ЕП с периодом около 24 часов над энергоактивными геологическими зонами и объектами. Период колебаний и их размах не являются постоянными величинами.

Существуют фазовые модуляции потенциалов ЕП во времени и пространстве. Внешними физическими причинами формирования меняющихся во времени естественных электрических полей являются изменения атмосферного давления, температуры и влажности приповерхностной части геологического разреза.

2. Над энергоактивными зонами и объектами установлена длиннопериод-ная составляющая меняющихся во времени естественных электрических полей как объективно существующее геофизическое явление. Эта составляющая характеризуется периодом квазисинусоидальных вариаций около 20 суток.

Ф Наблюдаются закономерные взаимосвязи длинопериодных вариаций ЕП с колебаниями температуры, резкими перепадами атмосферного давления и чередованием сухих и дождливых периодов.

Величина показателя максимальной длиннопериодной динамики, как и соответствующего показателя суточной динамики, согласуется с амплитудой аномалий квазистатического ЕП. Наиболее высокие его значения присущи эпицентрам аномалий ЕП.

3. При съемках методом ЕЭП оптимальным интервалом проведения контрольных измерений является период с 10 до 13 часов местного времени. Контролю следует подвергать те отрезки профилей, которые были отработаны в эти же часы в ближайшие трое суток.

Научная новизна. В итоге проведенных исследований достигнут ряд результатов, определяющих научную новизну работы в целом:

1. Показана роль резких понижений атмосферного давления в формировании суточной составляющей меняющихся во времени естественных электрических полей. Наибольшие значения показателя максимальной суточной динамики ЕП приходятся на периоды аномального понижения атмосферного давления длительностью 1−2 суток с градиентами порядка 10 мм рт. ст./сут. В эти моменты времени также отмечаются наиболее интенсивные изменения коррелятивных и фазовых отношений потенциалов ЕП с температурой воздуха. Установлена дифференцируемость поверхности наблюдений по фазе суточных колебаний ЕП. Для разных точек пространства значения фазового сдвига могут быть более или менее 12 часов.

2. Намечена зависимость показателя максимальной суточной динамики ЕП от интенсивности дождей, а, следовательно, от количества осадков. Если непродолжительные дожди не сопровождаются существенным изменением вариаций ЕП, то" длительные ливни практически полностью подавляют суточные флуктуации ЕП.

3. Впервые описаны закономерности длиннопериодной составляющей меняющихся во времени естественных электрических полей. Эта составляющая поля представляет собой квазисинусоидальные колебания с периодом около 20 суток. Зафиксированный размах аномальных флуктуаций достигал 170 мВ при фоновых значениях, не превышающих первые десятки милливольтов. Между длиннопериодными вариациями ЕП и изменениями среднесуточных значений температуры существует высокая корреляция. Форма вариаций ЕП нарушается в периоды интенсивных градиентов атмосферного давления, что выражается в смене коррелятивных связей ЕП с температурой, а также в появлении на временных развертках ЕП ступеней и высокочастотных всплесков. Кроме того, форма временных флуктуаций ЕП диктуется чередованием сухих и ненастных периодов продолжительностью несколько суток: в дождливые периоды происходит повышение потенциалов ЕП, а в сухие — понижение. Показатель максимальной длиннопериодной динамики ЕП, как и соответствующий суточный показатель, увязывается с амплитудой аномалий квазистатического ЕП. Он выше в эпицентрах аномалий ЕП и понижается в их краевых частях.

4. Проведена оценка воспроизводимости данных традиционной съемки методом ЕЭП в условиях меняющихся во времени полей. Это позволило разработать методические приемы проведения контрольных измерений без увеличения объемов работ и их значительного усложнения.

Практическая полезность. Регистрация ЕП во времени осуществляется при наблюдениях за такими геодинамическими процессами, как оползнеи кар-стообразование, подготовка горных ударов и эволюция криолитозоны. Поэтому полученные в представляемой работе результаты применимы при проектировании мониторинговых исследований указанных явлений и адекватной интерпретации их материалов.

Высокая чувствительность энергоактивных образований к внешним факторам и приуроченность меняющихся во времени естественных электрических полей к палеосейсмодислокационным структурам определяет возможность применения данных об их поведении для разработки новых критериев прогноза сейсмической активности.

Установленная зависимость меняющихся во времени естественных электрических полей от длительности и интенсивности дождей вводит ограничение на использование этого типа полей в прикладной геофизике как поискового признака рудоносных участков.

Учет собранных данных призван повысить качество традиционных съемок методом ЕЭП как с позиций перспективной оценки аномалий ЕП, так и в аспекте воспроизведения (контроля) результатов работ.

Реализация результатов. Полученные в ходе исследований научные выводы и методические рекомендации рассмотрены на научно-технических советах Читинской лаборатории инженерной геокриологии, Забайкальского комплексного научно-исследовательского института, ООО Hi 111 «Северо-Восток Экология» и приняты ими для внедрения.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях ЧитГТУ (Чита, 1998;2002 гг.), на Межрегиональной научно-технической конференции, посвященной 40-летию ЗабНИИ «Новый век — новые открытия» (Чита, 2001 г.), на региональной конференции «Проблемы освоения и рационального использования природных ресурсов Забайкалья» (Чита, 2000 г.). Материалы, приведенные в работе, обсуждались на научно-практических семинарах и расширенном заседании кафедры геофизики ЧитГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из «Введения», пяти глав, «Заключения» и сопровождается списком литературы, состоящим из 83 наименований первоисточников. Все представлено на 156 страницах текста, проиллюстрированного 65 рисунками.

Выражаю признательность руководству ЧитГТУ и кафедры геофизики за представленную возможность выполнить работу в рамках госбюджетной темы № 1 ЧитГТУ «Исследования закономерностей изменчивости (динамики) геофизических полей в энергоактивных зонах Земли (на примере Восточного Забайкалья) с целью решения задач геологии и выработки критериев прогноза землетрясений» [76].

Автор благодарит научного руководителя заведующего кафедрой геофизики ЧитГТУ д.т.н. профессора А. П. Карасева за поддержку в проведении исследований и большую помощь в осмыслении полученных результатов, доцента кафедры геофизики ЧитГТУ с.н.с. НИС Е. М. Фалькина за дружеское содействие, создание геологической карты опытного участка, критические замечания и советы в ходе написания диссертации, д.г.-м.н. профессора С.Ю. Баласаня-на, повлиявшего на выбор области моих научных интересов и тем самым предопределившего появление данной работы.

Большое спасибо сотрудникам кафедры геофизики Е. Ю. Юдицких,.

B.Ж. Добшинову, В. А. Кобыльскому, А. П. Иваненковой, Сф.М. Синице,.

C.А. Шишковой, B.C. Салихову, Т. Г. Дроковой, В. В. Трущенко, Л.А. Лихано-вой, С. Д. Кочневу, коллегам из лаборатории геофизических методов и аппаратуры ЗабНИИ и ее заведующему В. Н. Зезюлину за плодотворное участие на разных этапах выполнения работы, а также студентам-геофизикам ЧитГТУ, помогавшим при сборе полевых материалов.

Заключение

.

В результате проведенных исследований была расширена фактологическая база проблемы меняющихся во времени естественных электрических полей. Для решения поставленных задач были проведены длительные (до 22 суток) систематические измерения потенциалов естественного электрического поля в течение трех полевых сезонов с одновременной регистрацией температуры и атмосферного давления. Полученные данные были подвергнуты математической обработке, включающей расчет параметров количественно характеризующих поля, статистический и корреляционный анализ. Это позволило подтвердить ранее выявленные и намеченные закономерности и сделать некоторые новые выводы. Последние сводятся к следующему:

1. Подтверждено реальное существование в природе электрических полей, интенсивность которых аномально меняется во времени. Такие поля приурочены главным образом к геологическим объектам, характерными чертами которых являются присутствие рудной минерализации, представленной электропроводящими минералами. Кроме того, все они обнаруживают признаки их тектонической активности в недавнее время, что позволяет относить их к элементам живой тектоники. На исследованной территории наиболее интересными в обоих отношениях оказались зоны разломов, ограничивающих Читино-Ингодинский мезозойско-кайнозойский рифт с северо-запада, и корневые приповерхностные части позднеюрских эффузивных структур, представленных жерлами вулканических построек центрального типа или трубками взрыва (диатремами).

2. Показана взаимосвязь меняющихся во времени естественных электрических полей с погодными условиями работ. Предшествующие исследования выявили влияние на данный тип полей температурных изменений воздуха, в настоящей работе показано, что, помимо этой взаимосвязи, существует корреляция вариаций естественного электрического поля с перепадами атмосферного давления. Наряду с относительно изученными ранее суточными колебаниями меняющихся во времени полей исследованы длиннопериодные вариации охватывающие первые десятки суток.

3. Корреляционный анализ суточных флуктуаций естественного электрического поля и температуры, обнаружил, что изменения интенсивности естественного электрического поля не совпадает, а следует за изменениями температуры, т. е. между этими явлениями существует фазовый сдвиг. Значения фазового сдвига могут достигать 12 часов и более. Отмечена изменчивость во времени фазового сдвига. Она максимальна в эпицентрах аномалий квазистатического естественного электрического поля.

4. Для длинноперидных вариаций установлена высокая степень их связи со среднесуточными значениями температур воздуха. В эпицентрах аномалий квазистатического естественного электрического поля наблюдается обратная, а фоновых точках прямая корреляция между этими величинами. Фазовый сдвиг для этой категории полей не зарегистрирован.

5. Взаимосвязь суточных вариаций естественного электрического поля с атмосферным давлением имеет менее очевидные признаки, что связано с малым размахом суточных флуктуаций атмосферного давления на фоне разнопорядковых его изменений. Поэтому наиболее высокая степень их связи выявляется в периоды резких понижений атмосферного давления (около 10 мм рт.ст. за сутки). При этом отмечаются наибольшие значения показателя максимальной суточной динамики. На эти же временные интервалы ложатся интенсивные изменения коррелятивных и фазовых отношений потенциалов естественного электрического поля с температурой.

6. Связь длиннопериодных вариаций естественного электрического поля с атмосферным давлением качественно близка к соотношению этих параметров для суточных изменений этого поля. Высокоградиентное понижение атмосферного давления сопровождается понижением значений потенциала естественного электрического поля. Это вызывает нарушение квазисинусоидальной формы вариаций.

7. Как для суточных, так и для длиннопериодных меняющихся во времени полей намечена зависимость потенциалов естественного электрического поля от интенсивности дождей, а, следовательно, от количества осадков закономерно вызывающих изменения влажности грунтов. Непродолжительные дожди не сопровождаются сколько-нибудь значительными изменениями вариаций естественного электрического поля. С длительными ливнями связано практически полное подавление суточных флуктуаций поля. Для длиннопероных изменений отмечено, что в дождливые периоды происходит повышение потенциалов естественного электрического поля, а в сухие — понижение.

8. Наблюдается приуроченность меняющихся во времени полей к аномалиям квазистатического естественного электрического поля. При этом показатели максимальной суточной и длиннопериодной динамики в эпицентрах аномалий квазистатического поля максимальны и понижаются к краевым частям этих аномалий.

9. Установлено, что при съемках методом ЕЭП следует проводить контроль рядовых измерений с 10 до 13 часов местного времени. Контролю подвергаются те отрезков профилей, которые были отработаны в этот же временной интервал в ближайшие трое суток. Естественно, исходя из всех освещенных в предыдущих разделах закономерностей, даже предложенный порядок контроля не сможет дать удовлетворительных результатов при интенсивных дождях и резких перепадах давления в промежуток времени между основными и контрольными измерениями.

Еще одно практическое следствие заключается в том, что для выполнения плановой увязки профилей по планшету исследований методом ЕЭП промежуток времени с 10 до 13 часов также является наиболее оптимальным.