Изучение геоэлектрического строения п

Вопросы геофизики. Выпуск 44. СПб., 2011 — (Ученые записки СПбГУ; № 444)
133
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин
ИЗУЧЕНИЕ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
П-ОВА РЫБАЧИЙ (МУРМАНСКАЯ ОБЛ.) ПО ДАННЫМ
АУДИОМАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ
С БЕСКОНТАКТНЫМИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ АНТЕННАМИ
Введение
Работы методом аудиомагнитотеллурических зондирований (АМТЗ) на п-ове Рыбачий (Мурманская обл.) были выполнены для изучения геоэлектрического строения территории и выявления зон, перспективных для аккумуляции углеводородов. Поскольку
большая часть территории п-ова Рыбачий труднодоступная и применение вездеходов
в летнее время по экологическим причинам на территории тундры запрещено, работы методом АМТЗ проводились в зимнее время по снежному покрову с перемещением
между точками зондирований на снегоходах. При этом для измерений электрического поля в аудиочастотном диапазоне применялась новая технология метода АМТЗ с
использованием бесконтактных (емкостных) антенн. Особенности новой технологии и
результаты работ методом АМТЗ на п-ове Рыбачий рассматриваются в настоящей статье.
Аппаратура и программные средства АМТЗ
Метод АМТЗ является высокочастотной модификацией метода магнитотеллурических зондирований — МТЗ [1] и основан на измерениях естественных электромагнитных полей аудио (звукового) диапазона частот от единиц до первых тысяч герц [2].
Основными источниками этих полей являются дальние грозы. По данным измерений
горизонтальных и взаимно ортогональных составляющих электрического и магнитного полей в методе АМТЗ определяется амплитуда поверхностного импеданса (или кажущееся сопротивление ρк ) и фаза импеданса φz . В результате инверсии частотных
зависимостей кажущегося сопротивления и фазы строится геоэлектрический разрез в
диапазоне глубин от первых десятков метров до первых километров. При интерпретации данных АМТЗ используется модель первичного поля в виде плоской вертикально
падающей волны. Измерения с компактной аппаратурой характеризуются высокой производительностью, возможностью исследования труднодоступных территорий и экологически безопасные для окружающей среды.
При проведении работ методом АМТЗ нами использовалась аппаратура АКФ-4М,
разработанная Санкт-Петербургским государственным университетом и ООО «МикроКОР» [3]. Аппаратура включает цифровой регистратор с четырьмя синхронными
каналами и 24-разрядными АЦП в каждом канале. Частотный диапазон аппаратуры
0.1–800 Гц, поддиапазоны 0.1–40 Гц (D1), 1–400 Гц (D2), 1–800 Гц (D3), частоты дискретизации входных сигналов 160, 1600 и 3200 Гц, объем встроенной памяти 1024 Мб.
c
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин, 2011
134
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин
По результатам тензорных измерений получают кривые кажущегося сопротивления и
фазы импеданса как по направлениям раскладки измерительной установки, так и после обработки данных по главным направлениям тензора импеданса. При этом за направления кривых АМТЗ принимаются направления ориентировки приемных линий
электрического поля.
Программное обеспечение регистратора (программа SM27) делает возможным установку параметров измерений, визуализацию на дисплее регистратора измеряемых характеристик (спектрограмм, парных когерентностей), автоматизированное производство измерений, сохранение данных и их экспорт на внешний компьютер. Для обработки данных, полученных в сложных условиях (неблагоприятная помеховая обстановка,
низкий уровень и нестабильность естественного электромагнитного поля), применяется
программа SM+. Данная программа использует различные виды робастных процедур.
Для визуализации исходных данных и результатов интерпретации используется программа Geoinf. Программа предназначена для просмотра и анализа данных АМТЗ по
отдельным точкам зондирования, по профилям и площади. При 1D-инверсии используется метод эффективной линеаризации (МЭЛ) [4] и программа инверсии (контролируемой трансформации) МЭЛ для модели среды с градиентно изменяющимися свойствами
с глубиной. При 2D-инверсии применяется программа Shell2D, в которой использован
метод Occam и алгоритм REEBOC [5, 6].
Бесконтактные измерения электрического поля
в аудиочастотном диапазоне
Обычно в методе АМТЗ для измерений электрического поля используют заземляемые антенны (приемные линии электрического поля). Однако достаточно часто необходимо проведение работ в условиях, неблагоприятных для заземления электрических
антенн (в зимнее время по мерзлой земле, снегу и льду, и в летнее время по сухому песку, каменистой почве и курумнику). Для проведения работ методом АМТЗ в
этих условиях предлагаются различные подходы. Компанией «Феникс Джиофизикс»
(Канада) разрабатывается технология, основанная на измерениях трех взаимно ортогональных компонент магнитного поля (двух горизонтальных и одной вертикальной) [7].
Развитием теоретических основ обработки и интерпретации данных трехкомпонентных
измерений магнитного поля в последние годы активно занимались ученые МГУ [8]. Были показаны возможности успешного применения данной технологии для решения ряда
актуальных геологических задач.
Вместе с тем предложенный подход имеет существенный недостаток, связанный с
тем, что для горизонтально-слоистой модели среды, основной в методах зондирований,
вертикальная компонента магнитного поля равна нулю, и измерения трех компонент
магнитного поля реализовать не удается. Вертикальная компонента магнитного поля
появляется только в горизонтально-неоднородных средах. Поэтому трехкомпонентные
измерения магнитного поля могут быть дополнительными к импедансным измерениям,
по результатам которых производятся зондирования горизонтально-слоистых сред, но
не могут их полноценно заменить.
Другой подход, который развивается авторами настоящей статьи, связан с использованием бесконтактных измерений в аудиочастотном диапазоне электрического поля
с незаземляемыми (емкостными) электрическими антеннами. Ранее использование бес-
Изучение геоэлектрического строения п-ова Рыбачий (Мурманская обл.). . .
135
контактных измерений электрического поля было реализовано и успешно применялось
при изучении радиочастотных полей в диапазоне 10–1000 кГц [9]. Эти измерения базируются на результатах теоретических исследований [10] и подтверждены многочисленными экспериментами в полевых условиях. Бесконтактные измерения электрического
поля (технология БИЭП) успешно используются в низкочастотной электроразведке методами срединного градиента (СГ) и вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ)
на частоте 625 Гц [11].
При реализации бесконтактных измерений электрического поля нами используются:
• симметричные приемные антенны общей длиной 100 м (с заземляемыми антеннами обычно применяются короткие симметричные антенны общей длиной 40 м);
• предварительные усилители (предусилители) сигналов электрических антенн с
высоким входным сопротивлением Rвх = 40 − 200 МОм (с заземляемыми антеннами
обычно применяются предусилители с Rвх = 2 МОм);
• робастные методы обработки данных измерений для уменьшения влияния помех (собственных шумов), возникающих при использовании предусилителей с высоким
входным сопротивлением.
Использование симметричных приемных антенн необходимо для уменьшения влияния вертикальной составляющей электрического поля, которое проявляется в наибольшей степени при высоких переходных сопротивлениях заземлений и применении
бесконтактных антенн [9].
Как было показано по результатам теоретических исследований [10] и экспериментальных работ [9], заземляемые приемные антенны эквивалентны бесконтактным антеннам удвоенной длины, поэтому для получения сигналов электрического поля достаточно большой амплитуды необходимо использование более длинных по сравнению
с заземляемой установкой приемных антенн. Антенны для бесконтактных измерений
оптимальной длиной 100 м были выбраны на основании экспериментальных работ с
учетом получаемой амплитуды сигнала и удобства проведения работ.
Использование предусилителей с Rвх = 2 МОм оптимально при проведении работ
с заземляемыми приемными электрическими антеннами. При этом переходное сопротивление заземлений обычно не превышает 10 кОм. При более высоких переходных
сопротивлениях заземлений и применении бесконтактных антенн входное сопротивление предусилителей должно быть увеличено.
В результате экспериментальных работ было установлено, что при проведении зимних работ по снежному покрову оптимальное значение входного сопротивления предусилителя составляет 40 МОм. Выбор относительно невысокого значения Rвх предусилителя связан с тем, что уровень естественного электрического поля аудиочастотного
диапазона в зимнее время ниже, чем летом, и в случае использования предусилителей с
более высоким входным сопротивлением возрастает уровень их собственных шумов, что
затрудняет получение качественных данных. Благоприятным фактором для использования в зимних работах предусилителя с относительно невысоким значением Rвх также
является повышенная емкостная связь земли и кабеля, лежащего на снежном покрове.
В летних работах при неблагоприятных условиях для заземления (сухой песок, каменистая почва, курумник) необходимо использование предусилителя с более высоким
входным сопротивлением (200 МОм), поскольку сложнее обеспечить плотное прилегание кабеля к земле и высокую емкостную связь кабеля с землей. Уровень естественного электрического поля аудиочастотного диапазона в летнее время выше, чем зимой,
136
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин
и удается получить данные хорошего качества при повышенном уровне собственных
шумов предусилителя.
При проведении работ с бесконтактными антеннами важным является выбор кабеля
с малой электризацией. Для кабелей с повышенной электризацией наблюдается повышенный уровень шумов, который создает дополнительные трудности при получении
качественных данных измерений.
Рис. 1. Сравнение кривых кажущегося сопротивления и фазы импеданса, полученных с бесконтактными электрическими антеннами и предусилителями с различным
входным сопротивлением: 2 МОм (а) и 40 МОм (б ).
1 — кривые для заземляемой антенны; 2 — кривые для бесконтактных антенн
На рис. 1 приведены результаты экспериментальных работ, выполненных в зимнее
время на снежном покрове с использованием бесконтактных электрических антенн и
предусилителей с входными сопротивлениями 2 и 40 МОм. В качестве данных для
сравнения выбраны кривые кажущегося сопротивления и фазы, полученные в зимнее
время с заземляемыми электрическими антеннами. Как видно из рис. 1, а, для бесконтактной антенны и предусилителя с Rвх = 2 МОм отмечаются существенные отличия
от кривых для заземляемых антенн. Для фазовой кривой эти отличия наблюдаются
для диапазона частот 6–200 Гц, а для кривой кажущегося сопротивления — 6–30 Гц.
При использовании предусилиталя с Rвх = 40 МОм наблюдается совпадение кривых
ρк для заземляемой и бесконтактной антенн во всем частотном диапазоне 6–200 Гц, а
для кривых φz — небольшие отличия для частот ниже 8 Гц.
При использовании предусилителей с высоким входным сопротивлением, как отмечалось выше, возрастает влияние собственных шумов предусилителя и антенны. Для
получения данных хорошего качества необходимым этапом является применение робастных процедур при обработке данных измерений. В программе SM+ используются различные методы робастной обработки данных. При этом применяется селекция
данных во временной области, используя пороговый амплитудный селектор, который
исключает из временных рядов отдельные отсчеты с недостоверными значениями (отсчеты, отмеченные маркером перегрузок, и наиболее мощные импульсы). Далее производится спектральный анализ выбранной части файла (вычисление динамических спектров) с учетом калибровочных характеристик аппаратуры, режекция сигналов гармоник промышленной сети 50 Гц (60 Гц) с использованием динамических спектров. Затем
Изучение геоэлектрического строения п-ова Рыбачий (Мурманская обл.). . .
137
осуществляется поэтапная, в определенном порядке, селекция динамических спектров
различными типами селекторов с учетом возможности наличия в измеряемых сигналах
импульсной полезной составляющей или шумовых компонент. Селекция производится
различными селекторами для различных моделей сигнала:
• для модели полного сигнала с доминирующей компонентой импульсного полезного
сигнала при отсутствии импульсных шумов;
• для модели полного сигнала с доминирующей компонентой импульсных шумов со
средней мощностью, превосходящей среднюю мощность полезных сигналов;
• для модели полного сигнала с вариациями динамических значений отношения
сигнал/шум, которые могут быть связаны с наличием в полном сигнале как импульсов
полезного сигнала, так и импульсных шумов.
Динамические значения спектров, прошедшие селекцию, используются для вычисления скалярных или тензорных оценок АМТ-данных с учетом выбранной оператором
модели межканального распределения шумов.
Как видно из рис. 2, в результате применения робастных методов обработки качество данных существенно улучшается. По исходным данным на автоспектре сигнала
электрического поля не проявляются максимумы Шумановских резонансов, которые
обычно наблюдаются на частотах 8, 14, 20, 26, 32, . . . Гц. Значения взаимной когерентности электрического и магнитного поля выше порогового уровня 0.9 наблюдаются в
диапазоне частот 30–150 Гц. После применения робастных процедур на графике автоспектра видны максимумы на частотах 8 и 14 Гц, соответствующие Шумановским
резонансам, и значение взаимной когерентности выше порогового уровня наблюдается
в диапазоне частот 7–220 Гц.
Рис. 2. Сравнение автоспектров сигналов электрического поля (а)
и взаимных когерентностей с сигналом магнитного поля (б ) при различных способах обработки данных.
1 — без робастных процедур; 2 — с робастными процедурами
Для оценки надежности бесконтактных измерений, выполненных в зимнее время,
было выполнено сравнение с данными, полученными летом (рис. 3). Сравнивались кри-
138
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин
Рис. 3. Сравнение кривых кажущегося сопротивления и фазы импеданса, полученных в летнее время с заземляемыми антеннами (1) и в зимнее время с заземляемыми (2) и бесконтактными (3) антеннами
вые кажущегося сопротивления и фазы импеданса, измеренные в летнее время с заземляемыми антеннами и в зимнее время с заземляемыми и бесконтактными антеннами.
Наиболее качественные данные получены с заземляемыми антеннами в летнее время.
Кривые зондирования указывают на качественные измерения, полученные в диапазоне
частот 2.3–350 Гц (взаимная когерентность сигналов электрического и магнитного поля
близка к единице). Зимние измерения с заземляемыми антеннами обеспечивают хорошее качество данных в диапазоне частот 3.6–350 Гц. Менее качественные измерения на
низких частотах в этом случае связаны с более низким уровнем естественных полей в
зимнее время. При измерениях в зимнее время с бесконтактными антеннами кривые
зондирования иллюстрируют хорошее качество данных измерений в диапазоне частот
6–250 Гц для кажущегося сопротивления и 8–250 Гц для фазы импеданса.
Верхние пределы качественных измерений 350 Гц для заземляемых антенн и 250 Гц
для бесконтактных антенн получены в этом примере по данным измерений в частотном диапазоне D2 (1–400 Гц) аппаратуры АКФ-4М. Опыт работ показывает, что при
использовании частотного диапазона D3 (1–800 Гц) в летнее время при более высоком
уровне естественного электромагнитного поля данные высокого качества обычно получаются до частоты 800 Гц, а в зимнее время — до 600 Гц. Выбор частотного диапазона
(D2 или D3) производится с учетом того, что файлы временных рядов в диапазоне
D3 имеют больший объем, и этот диапазон используется при необходимости получения
данных измерений на частотах 400–800 Гц.
Изучение геоэлектрического строения п-ова Рыбачий (Мурманская обл.). . .
139
Результаты полевых работ
П-ов Рыбачий находится в северной части Кольского п-ова (рис. 4, a). Работы методом АМТЗ в основном были выполнены на п-ове Рыбачий, а также на п-ове Средний
и на перешейке между ними (рис. 4, б ). Разрез района работ сложен рифейскими платформенными образованиями. Фундамент представлен гранитоидами архейского возраста. На п-ове Рыбачий осадочный чехол включает ритмичное чередование конгломератов, песчаников и алевролитов в верхней части разреза, которые вниз по разрезу
сменяются валунными и валунно-галечными конгломератами и брекчиями. В основании разреза осадочного чехла находятся тонкослоистые глинистые сланцы. На п-ове
Средний разрез сложен толщей переслаивающихся разнозернистых песчаников, характерных для верхней части разреза, которые вниз по разрезу сменяются алевролитами
и аргиллитами.
Рис. 4. Местоположение района работ (а) и расположение профилей АМТЗ на участке (б )
Полуострова Рыбачий и Средний разделены проходящей в районе перешейка мощной тектонической зоной северо-западной ориентировки. На п-ове Рыбачий породы образуют моноклиналь северо-западного простирания с общим наклоном слоев к северу
и северо-востоку, осложненную сбросами разных порядков по глубинным разломам северо-западной ориентировки. Неглубокие тектонические нарушения на п-ове Рыбачий
имеют в основном северо-восточную ориентировку. Таким образом, структурно-тектоническое строение территории характеризуется наличием глубинных разломов северозападного и неглубоких разломов северо-восточного направления.
Расположение профилей зондирований АМТЗ показано на рис. 4, б. Измерения выполнялись в зимнее время с бесконтактными (емкостными) электрическими антеннами в тензорном варианте с ориентировкой измерительных установок вдоль и вкрест
профилей по азимутам 40 и 310 град. (азимут установки определяется направлением приемной электрической антенны). В небольшом объеме в доступных местах были
выполнены летние работы методом АМТЗ, подтвердившие результаты зимних работ.
При анализе первичных данных и результатов интерпретации было установлено, что
особенности глубинного строения территории более наглядно проявляются на кривых
зондирования для измерительной установки, ориентированной по азимуту 310 град.
(вкрест неглубоких разломов северо-восточного направления, которые превалируют
140
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин
в верхней части разреза, и вдоль глубинных разломов северо-западного направления).
Эти особенности данных АМТЗ нетипичны, и выяснение причин требует проведения
дополнительных исследований, включая математическое моделирование для разрезов
с разнонаправленными глубинными и приповерхностными структурами. Здесь мы используем закономерности, установленные на основании практических данных, для анализа результатов АМТЗ на п-ове Рыбачий.
На первом этапе работ было выполнено сравнение результатов АМТЗ с данными
бурения. Зондирования были выполнены на п-ове Средний в районе скв. 1 и на перешейке около скв. 2. На рис. 5 приведены геоэлектрические разрезы по результатам
1D-инверсии методом МЭЛ для азимута измерительной установки 130 град. по профилям, пройденным в районе указанных скважин. Для профиля в районе скв. 1 была
выбрана инверсия 1D, учитывая малое число (3) точек зондирований на данном профиле. Для профиля в районе скв. 2 для сопоставления с предыдущим профилем была
также использована 1D-инверсия. Ниже для профилей с достаточным числом точек
зондирований рассматриваются результаты 2D-инверсии, более подходящей для условий работ на данной территории.
Бурение скв. 1 было выполнено до работ методом АМТЗ. Результаты бурения позволили уточнить разрез рифейских терригенных пород и определить глубину залегания
пород фундамента. Верхняя часть разреза рифейских пород до глубины 499 м сложена
однородными песчаниками. Ниже по разрезу вскрыта пачка переслаивания песчаников,
алевролитов и аргиллитов мощностью 280 м, затем слой песчаников мощностью 160 м,
и далее пачка переслаивающихся песчаников, алевролитов и аргиллитов мощностью
236 м. Породы архейского кристаллического фундамента вскрыты на глубине 1175 м.
Сравнение геологического разреза по скважине с геоэлектрическим разрезом по
результатам 1D-инверсии данных АМТЗ (рис. 5, а) показывает, что положение кровли фундамента соответствует значениям удельного сопротивления 2500–3100 Ом · м
(logρ = 3.4–3.5). В районе скв. 2 работы методом АМТЗ были выполнены до завершения бурения (во время проведения работ АМТЗ скважина была пробурена до глубины
около 300 м). По результатам 1D-инверсии был построен геоэлектрический разрез по
профилю (рис. 5, б ), и на основании полученных ранее результатов по скв. 1 по значениям удельного сопротивления 2500–3100 Ом · м (logρ = 3.4–3.5) была дана прогнозная
оценка глубины кровли фундамента по данным АМТЗ — 1400 м. Результаты бурения
скв. 2 подтвердили прогнозную оценку глубины фундамента, который был вскрыт на
глубине 1350 м.
Разрез по скв. 2 в верхней части до глубины 410 м представлен конгломератами,
песчаниками и гравеллитами. В интервале 410–600 м отмечается чередование песчаников и гравеллитов. На глубине 457–470 м наблюдается зона мощной дезинтеграции
по породам кварц-полевошпатового состава. С глубины 600 м в разрезе усиливается
алевролитовая составляющая, и разрез представляет собой чередование алевролитов,
алевропесчаников и песчаников. Интервал 800–1350 м характеризуется чередованием
алевролитов и аргиллитов при подчиненной роли песчаников. В конце этого интервала
отмечается преобладание в разрезе аргиллитов.
Для изучения структурных особенностей участка работ на п-ове Рыбачий первоначально был выполнен анализ первичных данных АМТЗ. Кривые кажущегося сопротивления и фазы импеданса представлялись в виде псевдоразрезов и площадных схем
на разных частотах (срезов по частотам) для их анализа и выбора оптимальной мето-
Изучение геоэлектрического строения п-ова Рыбачий (Мурманская обл.). . .
141
Рис. 5. Геоэлектрические разрезы по данным 1D-инверсии
данных АМТЗ на участках бурения скв. 1 (а) и 2 (б ).
1 — гранитоиды фундамента; 2 — песчаники; 3 — алевролиты и аргиллиты; 4, 5 — положение кровли фундамента по данным бурения (4) и АМТЗ (5)
дики интерпретации. Исходные данные не содержат искажений, которые появляются
на этапе инверсии данных при использовании той или иной модели среды, положенной
в основу алгоритма инверсии. Поэтому анализ первичных данных необходим на первом
этапе перед выбором модели среды и соответствующих программных средств инверсии.
Наиболее наглядно общую структуру участков работ отражают планы изолиний
фазы импеданса. Фаза характеризует более глубинные, по сравнению с кажущимся
сопротивлением, интервалы геоэлектрического разреза и менее подвержена влиянию
приповерхностных неоднородностей.
142
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин
На рис. 6 приведены планы изолиний фазы импеданса на частотах 8, 70 и 200 Гц для
азимута установки 130 град. для средней части участка п-ова Рыбачий (для профиля 4
данные приведены по его части в пределах рассматриваемого участка). Для плана
изолиний на частоте 8 Гц участок работ разбивается на две достаточно контрастные
зоны, при этом граница между ними имеет северо-западное направление. Юго-западная
часть характеризуется низкими значениями фазы, что отвечает высоким значениям
удельного сопротивления, характерным для высокоомного фундамента. Резкий переход
на плане изолиний фазы между профилями 4 и 21 соответствует предполагаемому
сбросу фундамента. Северо-восточная часть участка, включающая профили 4, 23 и 24,
характеризуется наличием на глубине блока проводящих пород, и в этой части участка
на частоте 8 Гц фундамент не прослеживается.
Рис. 6. Планы изолиний фазы импеданса на различных частотах для азимута установки 310 град. (вдоль профилей 20,
21, 4, 23, 24)
На плане изолиний фазы для частоты 70 Гц в центральной части участка выделяется зона повышенных значений фазы, отвечающая проводящему блоку, залегающему
выше кровли фундамента. Для повышенной частоты 200 Гц план изолиний фазы отражает строение и свойства приповерхностной части разреза, которая является более
Изучение геоэлектрического строения п-ова Рыбачий (Мурманская обл.). . .
143
высокоомной по отношению к рассмотренным проводящим блокам, проявляющимся на
частотах 8 и 70 Гц.
На рис. 7 приведен геоэлектрический разрез, построенный по результатам 2D-инверсии по профилю 2 северо-восточной ориентировки длиной 19 км. Рассмотренный выше
профиль через скв. 2 (см. рис. 5, б ) с результатами 1D-инверсии является фрагментом
профиля 2. Как показывает опыт работ, при изучении разрезов со значительной неоднородностью верхней части разреза и тектоническими нарушениями более оправдано
использование 2D-инверсии. При построении геоэлектрических разрезов по данным
1D-инверсии используются результаты АМТЗ в каждой точке по отдельности, а при
проведении 2D-инверсии учитываются сразу все точки на профиле. Поэтому при проведении 2D-инверсии более надежно исключается влияние приповерхностных неоднородностей и геоэлектрические разрезы получаются более сглаженными по сравнению с
разрезами по результатам 1D-инверсии. При вертикальных неоднородностях по данным
2D-инверсии более надежно определяется положение аномальных объектов по глубине.
Рис. 7. Геоэлектрический разрез по результатам 2D-инверсии по профилю 2.
1 — тектонические нарушения по данным АМТЗ; 2 — границы зон различного удельного сопротивления.
На геоэлектрическом разрезе по профилю 2 (рис. 7) можно выделить три участка,
разделенные глубинными разломами. В юго-западной части разреза на глубине 1400 м
выделяется (пк 0–13) высокоомный блок, соответствующий фундаменту, и отмеченный выше при анализе планов изолиний фазы импеданса (см. рис. 6). Второй участок
профиля (пк 13–23) характеризуется сложным строением, наличием глубинных разломов и каскада сбросов фундамента с увеличением глубины его кровли по направлению
к Баренцеву морю. Зона, характеризующаяся пониженными значениями удельного со-
144
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин
противления между пк 13 и 17, соответствует глубинному разлому, разделяющему п-ова
Средний и Рыбачий. На первом и втором участках профиля положение кровли фундамента до глубины 5–7 км оценивается достаточно уверенно. Третий участок профиля
(пк 23–45) характеризуется двухслойным строением с верхним относительно высокоомным (ρ = 500–2000 Ом · м) и нижним достаточно проводящим слоем (ρ < 10 Ом · м).
Верхний слой характеризуется блоковым строением с многочисленными разрывными
нарушениями. Присутствие нижнего проводящего слоя на третьем участке профиля
снижает глубинность метода АМТЗ и проследить положение кровли фундамента на
этом участке не удается.
На рис. 8 показано сравнение геоэлектрических разрезов по профилям 2 и 3, которое
показывает, что основные особенности разреза по профилю 2 (блок высокоомных пород
фундамента в юго-западной части профиля, проводящая зона на глубине более 3 км в
северо-восточной части профиля) выделяются и на профиле 3. Это указывает на то,
что профиль 2 является типичным для средней части п-ова Рыбачий и характеризует
строение разреза в переходной зоне от Балтийского щита к Баренцеву морю.
Рис. 8. Геоэлектрические разрезы по результатам 2D-инверсии по профилям 2 и 3
Представление об объемном строении средней части п-ова Рыбачий дает рис. 9, на
котором показаны геоэлектрические разрезы по ортогональным профилям 2 и 4. Зоны проводящих пород на глубинах более 3 км, представляющие интерес с точки зрения
перспективности на обнаружение углеводородов, выделяются не на всей изученной территории, а имеют достаточно локализованные контуры.
По результатам 2D-инверсии данных АМТЗ по пяти профилям были построены планы изолиний удельного сопротивления на глубинах 1000, 2000, 3000, 4000 м (объемная
Изучение геоэлектрического строения п-ова Рыбачий (Мурманская обл.). . .
145
Рис. 9. Геоэлектрические разрезы по результатам 2D-инверсии по профилям 2 и 4
блок-диаграмма распределения удельного сопротивления) средней части п-ова Рыбачий (рис. 10). Характерной особенностью блок-диаграммы является надежное выделение и прослеживание на разных глубинах блоков пород повышенного и пониженного
удельного сопротивления. При этом наибольший интерес с точки зрения возможности
выделения коллекторов представляют проводящие зоны в северной части участка на
профиле 2 и в центральной части участка на профиле 4. Эта зона с наиболее проводящей частью в интервале глубин 3–4 км, вероятно, связана повышенной проницаемостью
и водонасыщенностью пород, и в ней существуют условия для накопления углеводородов.
Заключение
Рассмотрены особенности новой технологии работ методом аудиомагнитотеллурических зондирований с измерениями электрического поля при помощи бесконтактных
(емкостных) антенн. При этом используются антенны бо́льшей длины по сравнению
с заземляемыми антеннами, предусилители электрических сигналов с высоким входным сопротивлением и робастные методы обработки данных измерений. В результате
обеспечиваются надежные измерения электрического поля аудиочастотного диапазона,
начиная с частот 7–8 Гц и выше. Обычно работы методом АМТЗ проводятся в диа-
146
А. К. Сараев, А. Б. Никифоров, Н. Е. Романова, И. С. Еремин
пазоне частот 7–600 Гц, поэтому разработанная технология бесконтактных измерений электрического поля
позволяет получать данные, аналогичные данным с заземляемыми электрическими антеннами. Это дает возможность проводить работы АМТЗ
как в летнее, так и в зимнее время со
сравнимым качеством и информативностью. Это особенно важно для северных территорий с длительным сохранением снежного покрова.
В результате зимних работ методом АМТЗ по снежному покрову на
п-ове Рыбачий и прилегающей территории показана возможность оценки глубины фундамента до 5–7 км.
Для скважины, расположенной на перешейке между полуостровами Средний и Рыбачий, была выполнена по
результатам интерпретации данных
АМТЗ прогнозная оценка глубины
фундамента (1400 м), что подтвердилось после завершения бурения этой
скважины (по данным бурения глубина до фундамента составила 1350 м).
Геоэлектрические разрезы, построенные по результатам инверсии материалов зимних работ методом АМТЗ
Рис. 10. Планы изолиний удельного сопротивс бесконтактными электрическими анления по результатам 2D-инверсии на различных
теннами, характеризуют геологичеглубинах
ское строение территории в переходной зоне от Балтийского щита к Баренцеву морю. Разрез имеет сложную структуру, глубинные разломы и каскад сбросов
фундамента с увеличением глубины его кровли по направлению к Баренцеву морю.
Выделены проводящие зоны, вероятно связанные с повышенной проницаемостью и водонасыщенностью пород, в которых существуют условия для накопления углеводородов.
Работа выполнена при поддержке проекта П999 Федеральной целевой программы
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 гг.» и
исследовательского гранта Санкт-Петербургского государственного университета.
Изучение геоэлектрического строения п-ова Рыбачий (Мурманская обл.). . .
147
Указатель литературы
1. Vozoff K. The magnetotelluric method // Electromagnetic methods in applied geophysics.
Vol. 2. Applications. Series: Investigations in geophysics. 1991. N 3. P. 641–711.
2. Strangway D. W., Swift C. M., Holmer R. C. The application of audio-frequency magnetotelluric (AMT) to mineral exploration // Geophysics. 1973. Vol. 38, N 6. P. 1159–1175.
3. Сараев А. К., Головенко В. Б., Ларионов К. А., Смирнова Т. Аппаратура аудиомагнитотеллурических зондирований АКФ-4М // Индустрия. 2003. № 3. С. 110–115.
4. Porokhova L. N., Kharlamov M. M. The solution of the one-dimensional inverse problem for
induction soundings by an efficient linearization technique // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1990. N 60. P. 68–79.
5. de Groot-Hedlin C., Constable S. Occam’s inversion to generate smooth, two-dimensional
models from magnetotelluric data // Geophysics. Vol. 55, N 12 (December) 1990. P. 1613–
1624.
6. Siripunvaraporn W., Egbert G. An efficient data-subspace inversion method for 2D magnetotelluric data // Geophysics. 2000. Vol. 65, N 3. P. 791–803.
7. Ingerov O. I, Fox L., Golyashov A., Colln A. Non-grounded surface electroprospecting technique: 71st EAGE Conference & Exhibition: Amsterdam, Netherlands, 8–11 June 2009.
8. Бердичевский М. Н., Дмитриев В. И. Модели и методы магнитотеллурики. М.: Научный
мир, 2009. 673 с.
9. Вешев А. В. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе. Л.: Недра, 1980.
10. Лавров Г. А., Князев А. С. Приземные и подземные антенны. М.: Советское Радио, 1965.
472 с.
11. Sapozhnikov B. Resistivity method without groundings: EAGE 65th Conference & Exhibition:
Stavanger, Norway, 2–8 June 2003.