CC BY
20
УДК 550.361
11 2 1 М.Е. Пермяков , А.Д. Дучков , Д.Ю. Демежко , С.А. Казанцев
1ИНГГ СО РАН, Новосибирск
л
Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ГЕОТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ В СКВАЖИНЕ ОБСЕРВАТОРИИ «ТАЛАЯ» (ЮЖНОЕ ПОБЕРЕЖЬЕ ОЗ. БАЙКАЛ)
Представлены результаты температурного мониторинга. Мониторинг начался в июне 2009 года и продолжается в настоящий момент. В холодный период года температура на всех измерительных каналах синхронно выросла, что может быть обусловлено технической причиной. Для проверки этого предположения был выполнен спектральный анализ данных, выявивший одинаковые короткопериодные вариации температуры на всех глубинах.
Результаты мониторинга показывают, что во всем изученном интервале (30-100 м) температура уменьшается с глубиной. Для уточнения такого необычного изменения температуры в скважине был проведен каротаж с шагом 5 м, подтвердивший уменьшение температуры. Реконструкция температурной истории земной поверхности, выполненная по каротажной термограмме в интервале 15-108 м показывает, что причиной этого может являть распространение вглубь длиннопериодной климатической волны.
M.E. Permyakovl, A.D. Duchkovl, D.Yu. Demezhko2, S.A. Kazantsevl 1Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS (IPGG)
Acad. Koptyug av. 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation 2 Institute of Geophysics UrB RAS
Amundsen str., 100, Ekaterinburg, 620016, Russian Federation
RESULTS OF STUDYING OF TEMPERATURE FIELD IN BOREHOLE «TALAYA» (SOUTHERN COAST OF LAKE BAIKAL)
The results of temperature monitoring are presented. Monitoring started in June
2009 and continuing at pre-sent moment. In the cold season the temperature at all measurement channels simultaneously increased, which may be due to technical reasons. To test this hypothesis spectral analysis of the data was performed that showed similar short-period variations of temperature at all depths.
Monitoring results show that in all the studied range (30-100 m) temperature decreases with depth. To clarify this unusual change of temperature the well logging was carried out with increment of 5 m, which confirmed the decrease in temperature. Reconstruction of the temperature history of the earth's surface, made by logging thermogram in the range of 15-108 m showed that the possible reason of this phenomenon is the long-period climatic temperature wave spreading into depth.
Длительные измерения температуры в скважинах уже давно входят в комплекс методов, применяющихся в прогностических целях в сейсмоактивных районах [1]. В 2009 г. мы организовали мониторинг температуры (Т) в скважине, расположенной на территории обсерватории Талая (южное побережье оз. Байкал, скважина «Талая»). Целью наблюдений является изучение связи температурного поля с эволюцией сейсмического процесса в этом сейсмоактивном регионе. Скважина пробурена в массиве мраморов еще в прошлом столетии. Современная глубина скважины - 108 м, уровень грунтовых вод - 1,5 м ниже поверхности земли. Зимой в устье скважины возникает ледяная пробка (в 2009 г. пробка образовалась в конце декабря, а растаяла в конце июля
2010 г.).
Термокоса длиной 100 м с восемью датчиками температуры (терморезисторы) была размещена в скважине 20 июня 2009 г. Первоначально верхний датчик термокосы был установлен в стволе скважины на глубине 29 м, остальные 7 датчиков располагались ниже с интервалом 10 м (соответственно, на глубинах от 39 до 99 м). Запись температуры датчиков осуществлялась посредством автономного измерителя температуры АИТ, разработанного и изготовленного в ИНГГ СО РАН [2]. АИТ размещался в не отапливаемой будке, закрывающей устье скважины. Частота опроса датчиков составляла раз в три часа. Указанная конструкция проработала по 11 августа 2010 г. с двумя длительными перерывами (05.09-14.10.2009 и 03.02-04.03.2010) по техническим причинам. Результаты измерений приведены на рис. 1.
11.08.2010 термокоса была извлечена из скважины, выполнен ее осмотр и ремонт. При новой постановке (05.09.2010) термокоса была расположена на 19 м выше (верхний датчик на глубине 10 м, нижний - 80 м). Такая постановка позволит более детально изучить изменения температурного поля в слое годовых колебаний.
Ряд измерений (рис. 1) пока еще недостаточен для обоснованных выводов. Однако обращает внимание синхронное возрастание температуры (на 0,15 0С) по всем каналам в холодный период года (сентябрь 2009 - апрель 2010). Есть предположение, что эта аномалия вызвана технической причиной, а именно реакцией измерителя (точнее - эталонного сопротивления) на осенне-зимнее снижение температуры в будке.
Рис. 1. Результаты мониторинга температуры в скважине на территории обсерватории Талая с 20 июня 2009 г. по 11 августа 2010 г. Цифрами на кривых отмечены глубины расположения датчиков в метрах
Для проверки этого предположения был выполнен спектральный анализ массива данных, записанных в период с 20.06.2009 г. по 16.06.2010 г., при этом пустые интервалы заполнены прямыми линиями (рис. 2). Первоначально из рядов были удалены длиннопериодные (с периодом порядка 7.5 месяцев) составляющие (рис. 2.). В результате аномалия практически исчезла, однако более отчетливо проявились короткопериодные вариации. Последние практически одинаково выглядят на всех глубинах, что свидетельствует об их общей природе. Если из температурных кривых, соответствующих верхним семи датчикам, отнять график, записанный нижним датчиком, то в полученных рядах уже будут отсутствовать короткопериодные вариация (рис. 3). Скорее всего, они так же могут быть связаны с работой измерителя. В дальнейшем мы постараемся решить технические проблемы. В то же время следует отметить, что относительные вариации температурного поля и сейчас адекватно фиксируются аппаратурой, поскольку, как мы показали выше, нестабильный измеритель вносит одинаковое искажение во все измерительные каналы. Температурный мониторинг в Талой начался относительно недавно и будет продолжен, а выявленные недостатки в работе аппаратуры будут исправлены.
Рис. 2. Исходные (пунктирные и тонкие линии) и «отфильтрованные» (жирные линии) данные измерения температуры в период 20.06.2009 г. - 16.06.2010 г. (ср. с рис. 1). На рисунок для удобства вынесены только 5 температурных рядов
Результаты мониторинга (рис. 1) показывают, что во всем изученном интервале (30-100 м) температура уменьшается с глубиной. Это обстоятельство вызывает недоумение, поскольку обычно температура на этих глубинах растет с глубиной. Для выяснения ситуации в скважине был проведен 11.08.2010 г. термокаротаж до глубины 108 м с шагом 5 метров. Каротажная кривая приведена на рис. 4а. На этом же рисунке приведен температурный разрез по данным мониторинга.
Термокаротаж показал, что действительно температура в скважины убывает с постепенным уменьшением градиента до самого забоя (108 м). Таким образом, термокаротаж подтвердил данные мониторинга. Зафиксированное необычное распределение температуры с глубиной может быть связано с распространением вглубь длиннопериодной климатической температурной волны и прогреванием ею верхнего стометрового слоя пород.
0.7 0.6 _ 0.5
_о
£ 0.4
О
0.2
0.1
”1-8” * —
”2-8” 1 > 1.
”3-8” —к- .
- ”4-8”
”5-8” "7 Я" ”6-8” , , 7--8
I—•—1 *—и.? — —— — 1111111111111111
ооооооооо
оооооооо оооооооооооооооо
О) о О т-
о о
00 со сч со
Т- т- о
со о о
ю
со
ю со со
ООО ^ Ю о
т- О СО
Рис. 3. Разность между первыми семью записанными температурными рядами и восьмым, соответствующим нижнему датчику
0
Температура, С г К/м
Рис. 4. Распределение температуры (а) и геотермического градиента (б) в скважине с/с Талая по данным термокаротажа. На левом рисунке приведена также термограмма по данным мониторинга температуры за 11 августа 2010 г.
(чёрная линия)
Для проверки этого предположения с помощью инверсионной программы [3, 4] была проведена реконструкция температурной истории земной
поверхности (ТИЗП) по термограмме скважины "Талая" (интервал 15-108 м). Полученные в результате расчетов температурные истории для различных значений температуропроводности приведены на рис. 5. Они обнаруживают два периода интенсивного потепления - в 70-х и во второй половине 90-х годов 20 столетия, а также резкое похолодание в первом десятилетии 21 века. Последнее, вероятно, не отражает реальную картину климатических изменений, а связано с аномальным промерзанием самой скважины в приустьевой части.
Полученные в результате расчетов изменения палеотемператур земной поверхности мы сравнили с вариациями температуры приземного воздуха, зарегистрированными на метеостанции Иркутск (рис. 5). Очевидно, что расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальными. Это подтверждает наше предположение о том, что наблюдаемое в скважине
уменьшение температуры вызвано значительным (почти на 3 С) потеплением климата в регионе. Мы продолжим анализ результатов температурных наблюдений в скважине «Талая» совместно с данными и по другим метеостанциям.
5 4 3
О
03 г\ CL 2 >
I-
03
CL 1 ф Ü 0
-1
-2
7\v ' V
0.9 1^-
г ~~~ . / / _ 0 .8 ,
7 Г ГЛ N \
А А А А Л V j
А',/'' А/ г ' 1Г
->7 V
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
Рис. 5. Температурные истории земной поверхности, рассчитанные по термограмме скважины «Талая» (интервал 15-108 м) в зависимости от значений температуропроводности горных пород. Цифры возле верхних четырех кривых - температуропроводность, x10-6 м2/с; две нижние кривые - температура воздуха на метеостанции Иркутска (среднегодовая и сглаженная в пятилетнем окне)
Исследования поддержаны Интеграционным проектом СО РАН № 125 (2009-2011 гг.) «Изучение вариаций геотемпературного поля по данным непрерывноо мониторинга температуры в скважинах и донных осадках» и междисциплинарным интеграционным проектом РАН №16.8 (2009-2011 гг.).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зубков С.И. Термические предвестники землетрясений [Текст] / С.И. Зубков // Физика Земли, 1992.- № 8. - С. 72-82.
2. Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура и результаты мониторинга температуры геологических объектов [Текст] / С.А. Казанцев // Тепловое поле земли и методы его изучения. Сборник научных трудов. Отв. Ред. Ю.А. Попов. -М.: РГГРУ, 2008. - С. 102-107.
3. Демежко Д.Ю. Геотермический метод реконструкции палеоклимата (на примере Урала). Екатеринбург: УрО РАН, 2001, 144 с.
4. Demezhko, D.Yu. and Shchapov, V.A. 80,000 years ground surface temperature history inferred from the temperature-depth log measured in the superdeep hole SG-4 (the Urals, Russia), Global and Planetary Change, Vol. 29 (1-2), 2001, pp. 219-230.
© М.Е. Пермяков, А.Д. Дучков, Д.Ю. Демежко, С.А. Казанцев, 2011
