Проявления и учет индуционно-вызванной электрической поляризации верхней части разреза Восточной Сибири Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.837

1 12 Е.Ю. Антонов , Н.О. Кожевников , С.В. Компаниец

1ИНГГ СО РАН, Новосибирск

2ИЭРП, Иркутск

ПРОЯВЛЕНИЯ И УЧЕТ ИНДУЦИОННО-ВЫЗВАННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ

В Восточной Сибири методы импульсной индуктивной электроразведки (ЗСБ, МПП) нашли широкое применение при изучении строения осадочного чехла Сибирской платформы, поисков и разведки залежей углеводородов и рудных месторождений, а также при решении других геологических задач. Как правило, интерпретация результатов съемок ЗСБ и МПП осуществляется на основе модели проводящей неполяризующейся среды. Во многих случая это оправданно, однако результаты измерений в некоторых районах не удается объяснить без учета индукционно-вызванной поляризации. Интерпретация данных методов ЗСБ и переходных процессов в рамках горизонтально-слоистой поляризующейся модели свидетельствует о том, что поляризующимися являются слои, образующие верхнюю часть геологического разреза. В некоторых случаях учет индукционно-вызванной поляризации позволяет получить информацию о геологической природе исследуемых объектов.

1 12 E.Yu. Antonov , N.O. Kozhevnikov , S. V Kompaniets

1Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (IPGG)

Acad. Koptyug av. 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

Л

Irkutsk Electroprospecting Company Rabochaya st., 2a, Irkutsk, 664011, Russia

THE MANIFESTATION OF AND ALLOWING FOR THE INDUCTIVELY INDUCED POLARIZATION OF THE NEAR-SURFACE IN EASTERN SIBERIA

In Eastern Siberia, the TEM sounding method has found wide use in studies of sedimentary basins, search and prospecting of oil and gas fields and ore deposits, and solving other geological problems. As a rule, TEM data are interpreted in the context of conductive non-polarizable geological media. In most cases it is a reasonable practice, but TEM data measured in some regions couldn’t be interpreted without regard for the inductively induced electrical polarization. The inversion of the TEM data in terms of 1D conductive polarizable earth model has shown that induced polarization effects are due to near-surface layers rather than to the deep ones. It some cases taking into consideration induced polarization effects provides insight into the nature of geological objects under study.

Нестационарные электромагнитные зондирования используются при решении разнообразных геологических задач на территории Восточной Сибири. На юге Сибирской платформы метод зондирований становлением поля в ближней зоне (ЗСБ) применятся для поисков структур, благоприятных для обнаружения месторождений углеводородов, а также оконтуривания и оценки параметров пластов-коллекторов. Кроме этого, метод ЗСБ оказался востребованным при поисках и разведке рудных и россыпных месторождений, решении задач гидрогеологии и инженерной геологии, а также при объемном геологическом картировании. Зондирования методом переходных процессов (ЗМПП) являются ведущим методом электроразведки при поисках кимберлитовых тел в Западной Якутии. До недавнего времени нестационарные электромагнитные зондирования использовались для изучения распределения удельной электропроводности в рамках преимущественно горизонтальнослоистой модели геологической среды.

Как правило, для возбуждения и измерения переходных процессов используют установки с незаземленными петлями - разнесенную и соосную. К числу соосных установок относится и совмещенная. Известно, что если среда, на которой располагается совмещенная установка, не поляризуется, ЭДС переходного процесса независимо от распределения удельной электропроводности является монотонно убывающей функцией времени [Weidelt, 1983]. Поэтому любые проявления немонотонности на переходной характеристике, измеренной совмещенной установкой, свидетельствуют о поляризуемости среды.

Начиная с середины 70-х гг. прошлого столетия, в литературе появляются сообщения о заметных - вплоть до смены полярности ЭДС - нарушениях монотонности индукционных переходных характеристик. Поскольку такие «искажения» наблюдались в том числе совмещенными установками, был сделан вывод о том, что причина их появления - индукционно-вызванная электрическая поляризация геологической среды (ВПИ). Массовые проявления ВПИ отмечены в Западной Якутии при поисках кимберлитовых тел с помощью ЗМПП [Kozhevnikov, Antonov, 2006; Стогний, 2008].

Ранее, когда геофизики не располагали средствами для расчета переходных характеристик с учетом ВПИ, ее проявления рассматривались исключительно как помеха, осложняющая изучение распределения «истинной» электропроводности. В этой связи прилагались и до сих пор прилагаются усилия, направленные на снижение или «подавление» эффектов ВПИ.

Положение начало меняться с появлением алгоритмов и быстродействующих программ для расчета переходных характеристик и инверсии данных импульсной индуктивной электроразведки с учетом ВПИ. Теперь рассматривать проявления индукционно-вызванной поляризации как помеху едва ли правильно. Инверсия с учетом поляризуемости дает более полную петрофизическую характеристику среды по сравнению с тем случаем, когда инверсия выполняется в классе неполяризующихся моделей.

В большинстве случаев переходные характеристики рассчитываются сначала в частотной области, после чего их пересчитывают во временную

область. Учет ВПИ осуществляется путем использования комплексной, зависящей от частоты удельной электропроводности <г(ю). Чаще всего такая зависимость задается с помощью формулы Коул-Коул:

1 + (}ш)с

сг*(ш)=а0

1 + (1 -л)( ]ж)С

где .р-Т-Т, <г0 - удельная электропроводность на постоянном токе, См/м; ц

- поляризуемость, (0<ц<1), c - показатель степени; г- время релаксации, а

Ниже приводятся примеры проявлений ВПИ в двух разных регионах Восточной Сибири и результаты инверсии данных импульсной индуктивной электроразведки с учетом вызванной поляризации. В обоих случаях проявления ВПИ в Восточной Сибири связаны с поляризуемостью верхней части геологического разреза (ВЧР).

Накынское кимберлитовое поле, Западная Якутия. Верхняя часть разреза представлена здесь песчано-глинистыми отложениями юры мощностью от единиц до 100 м. Ниже залегают карбонатные и карбонатно-глинистые осадочные породы нижнепалеозойского возраста, которые являются вмещающими для кимберлитовых тел. Для возбуждения и измерения переходных характеристик использовалась электроразведочная станция «Цикл-Микро» и установка петля в петле. Размер генераторной петли составлял 200 х 200 м, приемной - 100 х 100 м, диапазон времен регистрации - от первых десятков мкс до десяти мс.

Почти все измеренные здесь индукционные переходные процессы свидетельствуют о влиянии индукционно-вызванной поляризации. На рис. 1 показаны типичные экспериментальные и модельные переходные характеристики, а также геоэлектрические модели, найденные путем одномерной инверсии соответствующих экспериментальных переходных характеристик.

1000 -э

100 -

i 10 —

QQ =

m -

3 11

0.1 -

0.01 -o.<

Рис. 1. Типичные экспериментальные (кружки и ромбы) и модельные (сплошная линия) переходные характеристики с нарушением монотонности (а) и сменой полярности (б) и результаты их инверсии, Накынское кимберлитовое поле [Kozhevnikov, Antonov, 2006]. Кружки соответствуют положительной, ромбы - отрицательной полярности ЭДС

Геоэлектрический разрез соответствует здесь четырехслойной модели. Второй сверху слой образован нижними горизонтами отложений юры и терригенно-карбонатными отложениями нижнего палеозоя. Его удельное электрическое сопротивление варьирует от 75 до 800 Ом-м, мощность - от 110 до 210 м. Третий слой с мощностью от 80 до 210 м и сопротивлением в диапазоне от 11 до 30 Ом-м является поровым коллектором, насыщенным минерализованными водами. Хотя подошва многолетнемерзлых пород отмечается здесь на глубинах порядка 400м, вследствие высокой минерализации воды, насыщающие коллектор, не замерзают. Поэтому третий слой характеризуется низким электрическим сопротивлением. В основании разреза располагаются нижнепалеозойские терригенно-карбонатные породы с удельным сопротивлением 60-200 Ом-м.

Поляризующимся является самый верхний слой мощностью от 10 до 50 м с удельным электрическим сопротивлением от 20 до 80 Ом-м. Поляризуемость ц слоя изменяется от 20 до 46%, постоянная времени т - от 35 до 100 мкс. Что касается показателя степени с, этот параметр для всех кривых зондирований оказался равным единице. В геологическом отношении верхний слой представлен мерзлыми четвертичными отложениями и верхними горизонтами отложений юры. Возможные механизмы, объясняющие высокую поляризуемость мерзлых пород, остаются дискуссионными.

Юг Восточной Сибири. Метод ЗСБ применяется в этом регионе с начала 70-х гг. прошлого века, однако - в отличие от Западной Якутии - проявления

ВПИ здесь ранее не отмечались. Одна из причин заключается в том, что для структурных исследований использовались соосные установки с большими (0.5

- 1 км и более) генераторными петлями. При таких разносах эффекты ВПИ слабо проявлены на фоне индукционного становления. В последние годы проявления ВПИ стали заметны благодаря использованию новой схемы наблюдений [Кожевников, Компаниец, 2010]: на каждом пункте зондирования выполняются пятью установками - одной соосной и четырьмя разнесенными (рис. 2а). Размер генераторной петли составляет 500 м х 500 м, разнос - 0 (соосная установка), 500 и 1000 м.

Геоэлектрический разрез на юге Восточной Сибири может быть аппроксимирован горизонтально-слоистой (одномерной) моделью без азимутальной анизотропии. Если породы проводящие, но не поляризующиеся, переходные характеристики, измеренные соосной и разнесенными установками, отличаются на ранних временах, однако совпадают на поздних. Индивидуальная и совместная инверсия переходных характеристик дает один и тот же результат (модель). Этот случай иллюстрирует рис. 2 б, где показаны кривые кажущегося удельного сопротивления (р), измеренные в пределах Заславского лицензионного участка (Ангаро-Ленское плато, юго-запад Иркутской области).

Иная картина наблюдалась при изучении Средне-Окинского лицензионного участка, граничащего на западе с Заславским (рис. 2в). На поздних временах кривые рт, измеренные разнесенными установками, сливаются. Однако - в отличие от предыдущего случая - правая ветвь кривой р для соосной установки располагается значительно выше по отношению к правой ветви кривых для разнесенных установок. Если не учитывать поляризуемость, инверсия данных, измеренных разнесенными установками, дает одну и ту же геоэлектрическую модель, однако она сильно отличается от той, которая получена в результате инверсии данных, измеренных соосной установкой. В этом случае не удается выполнить совместную инверсию данных, измеренных всеми пятью установками. При общем объеме наблюдений на Средне-Окинском участке в количестве 200 физических точек проявления ВПИ отмечены на 85% из них.

Ю---1—i i i niij-1— i i niij-1— ill-1— ill 10-1 i i I niij-1—i i I niij-1— i I niij-1— i i I и I

0.1 1 10 100 1000 0.1 1 10 100 1000 t, MC t, MC

Рис. 2. Система наблюдений методом ЗСБ (а); кривые рт, измеренные на Заславском (б) и Средне-Окинском (в) участках

Инверсия с учетом поляризуемости позволила согласовать данные измерений с разнесенными и соосной установками на основе единой модели.

В целом геоэлектрическая модель соответствует разрезу осадочного чехла юга Сибирской платформы. Поляризующимся является верхний слой мощностью 50-80 м с параметрами: р= 10-15 Ом-м, 77 = 3-4%, г= 50-60 мс, с = 0.5. Слой представлен юрскими породами мощностью до 60м, в состав которых входят угленосные отложения с включениями графита и пирита. Скорость установления вызванной поляризации на Средне-Окинском участке примерно на три порядка ниже по сравнению с наблюдаемой в Якутии, а времена релаксации распределены в широком диапазоне. Однако в обоих случаях причиной наблюдаемых эффектов является вызванная поляризация верхней части разреза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кожевников Н.О., Компаниец С.В. Интерпретация данных ЗСБ с учетом параметров индукционно-вызванной поляризации [Текст] / Н.О. Кожевников // Первая международная научно-практическая конференция по электромагнитным методам исследования «ГЕОБАЙКАЛ-2010», Иркутск, 2010.

- 2с.

2. Стогний В.В. Импульсная индуктивная электроразведка при изучении поляризующейся среды криолитозоны Якутской кимберлитовой провинции [Текст] / В.В. Стогний // Криосфера Земли, 2008, т. XII, №4, с. 46 - 56.

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

4. Weidelt, P., Response characteristics of coincident loop transient electromagnetic systems // Geophysics, 1983, 48, 1325-1330.

© E.ro. Ahtohob, H.O. Ko^bhhkob, C.B. KoMnaHne^ 2011