Изучение процессов вызванной поляризации для решения геокриологических задач
logo1-color


Изучение процессов вызванной поляризации для решения геокриологических задач

Рассмотрено явление быстро протекающей вызванной поляризации мерзлых пород и его проявление при работе с индукционными (метод ЗСБ) и гальваническими (метод ВЭЗ-ВП) установками. На примере работ на Чаяндинском месторождении рассмотрены ситуации благоприятные и неблагоприятные для выделения поляризационной информации о мерзлотном состоянии пород разреза методом ЗСБ. Для гальванической установки ВЭЗ-ВП выявлены два разных по природе и характеристикам поляризационных процессов – медленная ВП электрокинетической природы, и быстро протекающая ВП, связанная с мерзлым состоянием горных пород. Приведены результаты исследований на образцах мерзлых пород, выявившие зависимости параметров ВП от криопараметров.

Ключевые слова: Вызванная поляризация, метод переходных процессов, мерзлые породы, эффект Максвелла-Вагнера, льдистость, лабораторные исследования.

При решении как гидрогеологических, так и инженерно-геологических задач в условиях вечной мерзлоты широко используется электроразведка. При этом часто кроме определения, в каком состоянии находятся породы – в мерзлом или талом, желательно еще дать характеристику температуры мерзлоты, льдистости, криотекстуры. Для количественных оценок криологических параметров недостаточно изучения только удельного сопротивления. Необходимо использовать явления, возникающие именно при замерзании воды и ее фазовых переходах. В этой связи многие исследователи обратили внимание на быстро протекающие процессы вызванной поляризации (ВП), свойственные мерзлым породам. Можно ли использовать быстрые процессы ВП, как надежный инструмент определения мерзлотных условий, и какие установки наиболее информативны?

Такая поляризация наблюдается как при гальванических, так и при индукционных методах исследования. Исторически сначала при широком применении метода ЗСБ в различных геологических условиях многими исследователями стали наблюдаться аномальные кривые становления поля со сменой знака в областях распространения вечной мерзлоты и на ледниках. Достаточно быстро это явление было объяснено Сидоровым В.А. влиянием ВП мерзлых пород, но механизм возникновения такой ВП до сих пор до конца не изучен. Позже появились работы по изучению природы аномальных искажений данных ЗСБ на мерзлоте с традиционными для метода ВП гальваническими установками [Сидоров В.А. 1985, Кожевников Н.О. 1995]. В этих экспериментах показано, что в точках с аномальными переходными характеристиками ЗСБ наблюдается и аномально большая поляризация на ранних временах с гальванической установкой ВЭЗ-ВП.

К сожалению, наши работы показывают, что обратное положение не всегда выполняется. Далеко не во всех точках ВЭЗ-ВП с аномальными значениями быстрой ВП наблюдаются соответствующие искажения на кривых ЗСБ.

Иными словами, существуют ситуации, когда мерзлый разрез имеет очень большую (десятки %) быстро протекающую поляризуемость, а в методе ЗСБ влияние этой поляризации практически отсутствует.

Причина этого представляется вполне очевидной. Часто встречается ситуация, когда подмерзлотные воды сильно минерализованы и имеют низкое сопротивление, либо разрез глинистый и имеет даже в мерзлом состоянии низкое сопротивление. Тогда интенсивные индукционные процессы становления поля в методе ЗСБ существенно превышают противоположно направленные поляризационные. При этом мы имеем возможность проводить зондирование без искажений, но теряем информацию о криопараметрах, заключенную в параметрах ВП.

Методический прием для учета этой особенности гидрогеолого – геокриологических условий также представляется вполне очевидным. Необходимо дополнительно проводить измерения с соосной установкой малого размера. Вследствие разной зависимости величины индукционного и поляризационного сигналов от геометрии установки относительный вклад ВП возрастет и выразительно проявится на кривой ЗСБ. При этом мы потеряем в глубинности и возможности восстанавливать разрез по сопротивлению, но подчеркнем поляризационную информацию, связанную с мерзлотой.

Таким образом, при выполнении натурных измерений необходимо выполнять измерения набором установок с различной геометрией.

Проиллюстрируем сказанное на примере работ, выполненных ЗАО «ГИДЭК» в ходе поисков и разведки подземных вод в северной части Чаяндинского месторождения в Якутии. Требуемая глубинность исследований составляла 400 м. Верхняя мерзлая часть разреза высокоомная с удельными сопротивлениями 300-600 омм. На водоразделах мощность этой толщи достигает 150 м, в долинах рек – 40-50 м. Подстилающие горизонты имеют удельное сопротивление 10-30 омм благодаря минерализованным водам. Измерения ЗСБ с совмещенной установкой проводились с петлями 200 х 200 м и дополнительно с 50 х 50 м (при необходимости 25 х 25 м). На рис.1а приведены такие кривые ЗСБ для возвышенной водораздельной точки, а на рис.1б – для точки в долине р. Чаянды.   

statia-8-ris-1

   

        На первой точке влияние ВП заметно даже на большой 200-метровой петле (экстремум на 100 мкс). На второй точке ситуация более коварная. Все кривые кроме самой маленькой петли 25х25 м можно было бы проинтерпретировать в рамках обычных неполяризующихся разрезов, но такой результат был бы ошибочным. И только измерения с маленькой петлей (синяя кривая) дают острый экстремум на 70 мксек, что требует учета поляризации и свидетельствует о мерзлом состоянии пород. Для большинства точек подобранные при интерпретации поляризационные параметры (при аппроксимации процесса ВП по Cole-Cole [Агеев В.В. 2006, Кожевников Н.О. 2012]) следующие: поляризуемость – 30-50%, постоянная времени – 80-120 мкс, показатель С близок к 1 (0.98-1).

Рассмотрим результаты экспериментов с гальваническими установками. Наши работы в регионах с разнообразными мерзлотными условиями методом ВЭЗ-ВП с регистрацией переходных характеристик ВП в широком временном диапазоне (от 10 мкс до 1 с) позволили установить наличие двух разных по природе и характеристикам поляризационных процессов. Они уверенно разделяются на кривых спада ВП. Пример полевой записи ВП, сделанный в трех временных диапазонах с разной длительностью токовых импульсов для ортогональной установки приведен на рис.2. Там же указаны подобранные для 1 и 3 временных диапазонов параметры Cole-Cole частотной дисперсии проводимости, аппроксимирующие кривые спада ВП. Во втором промежуточном диапазоне мы имеем сумму этих двух процессов ВП, характеризующихся разными свойствами.

statia-8-ris-2

Для изучения зависимостей процессов ВП от криопараметров горных пород и выяснения природы этих процессов были поставлены лабораторные исследования образцов. Для измерений были взяты мерзлые, ненарушенные, незасоленные керны преимущественно песчано-глинистых грунтов, отобранные при бурении в Ямбурге и Новом Уренгое и доставленные в холодильнике в лабораторию. Таким образом, природная криотекстура образцов была сохранена. Сами измерения выполнялись в морозильной камере ФГУП Фундаментпроект, обеспечивающей точность задания температуры образцов не хуже 0.1 градуса. В этой же организации проводилось определение петрофизических параметров керна, литологического состава, льдистости, минерализации и т.п., а также изготовление искусственных образцов с заданными свойствами.

Перечислим основные установленные закономерности.

1. В талом состоянии пористые, ионопроводящие образцы характеризуются привычной ВП электрокинетической природы (главным образом диффузионные (концентрационные процессы)). Формально аппроксимируя переходную характеристику ВП формулой Cole-Cole, описывающей частотную дисперсию удельного сопротивления, можно оценить постоянные времени этих процессов в десятки, сотни миллисекунд, показатель С = 0.3 – 0.5, поляризуемость – 10 – 15%.

При замерзании образца мы наблюдаем два явления (рис. 3). Первое – на ранних временах (десятки – сотни микросекунд) дополнительно появляется второй поляризационный процесс, очень специфический, который характеризуется малой постоянной времени, показателем С близким к 1 и очень большой интенсивностью, поляризуемость может достигать 90% и более. Приведенные ниже эксперименты подтверждают мнение некоторых исследователей [Кожевников Н.О. 1995, Сидоров В.А. 1985], что природа этого характерного процесса, вероятно, заключается в эффектах Максвелла-Вагнера. Второе – температурные и иные зависимости двух выделенных процессов ВП совершенно разные. В частности, при понижении температуры медленные электрокинетические процессы ВП (2 и 3 диапазоны измерения на рис. 2) существенно ослабляются. Причем для песка (рис.2) имеет место резкий скачек при переходе температуры образца через 0, а при дальнейшем опускании температуры изменения незначительны. Это объясняется быстрым замерзанием свободной воды в порах грубодисперсных пород и малым количеством остаточной незамерзшей пленочной воды. Для глины ослабление электрокинетических процессов ВП при понижении температуры идет постепенно вслед за постепенным замерзанием связной пленочной влаги в тонкодисперсном образце.

statia-8-ris-3

На ранних временах для специфического быстрого процесса ВП, который появляется только в мерзлой породе, температурные зависимости обратные. При понижении температуры растет интенсивность такого ВП и его постоянная времени.

2. Для изучения мерзлых пород, их криогенных параметров основной интерес представляет именно быстрый процесс ВП на ранних временах, который хотелось бы использовать как инструмент для определения наиболее важной характеристики мерзлых грунтов – их льдистости. Сравнивались однотипные образцы из одной скважины с близкой общей льдистостью. При этом быстрые процессы ВП различались очень существенно. Суммарная льдистость складывается из застывшей воды в порах и ледяных включений (шлиров льда). Оказалось, что помимо суммарной льдистости очень важным параметром является именно льдистость за счет ледяных включений. На пример, песчаный образец с суммарной льдистостью 43% без шлиров характеризуется существенно менее интенсивными процессами быстрого ВП, чем образец с льдистостью 39%, из которых 23% за счет ледяных включений. Постоянная времени ВП второго образца увеличилась почти на порядок, а поляризуемость - в 2 раза. При этом важно, чтобы шлиры льда располагались поперек направления пропускания тока. Шлиры вдоль образца вызывают существенно меньшие поляризационные процессы. Такая зависимость от криотекстуры согласуется с представлениями об эффекте Максвелла-Вагнера, которым объясняется механизм быстрого ВП. Для подтверждения этого важного факта нами был повторен эксперимент Сидорова В.А. [Сидоров В.А. 1985]. Мерзлый однородный образец супеси, для которого процесс быстрой ВП наблюдался только до времен 200 мкс, распиливался пополам и половинки смораживались через тонкий 1 мм прослой льда, который слабо изменял общую льдистость. Возникший при этом процесс ВП стал существенно интенсивнее и из-за возросшей постоянной времени наблюдался до сотен мс.

Эти же рассуждения применимы при анализе результатов лабораторных измерений на искусственных мерзлых образцах, приготовленных нами из супеси с разной влажностью (льдистостью). Весовая влажность изменялась от 10% до 80%. При этом процесс быстрого ВП тоже закономерно возрастал, но даже для 80% влажности поляризуемость не превысила 30-40%, а постоянная времени составила всего 20мкс. Это результат того, что искусственные образцы изготавливались быстрой заморозкой при постоянном перемешивании смеси и криотекстура получилась массивной без ледяных включений (шлиров). Такие образцы не совсем адекватно воспроизводят криогенные особенности природных мерзлых пород и не могут служить основой для исследований.

Из природных образцов наиболее интенсивные значения быстрой ВП наблюдались на мерзлых водонасыщенных торфах с очень большой пористостью. Очевидно, при замерзании воды образуется большое количество ледяных включений, способствующих интенсивному проявлению эффекта Максвелла-Вагнера. Так же очень интенсивные процессы быстрой ВП были зафиксированы у мерзлых пылеватых песков и супесей, а из коренных пород – у выветрелых сильно трещиноватых льдистых аргиллитов и алевролитов. Наоборот, наименьшие по интенсивности значения быстрой ВП с малыми постоянными времени наблюдались у глин и суглинков даже при наличии в них ледяных включений. Возможно, это объясняется большим количеством незамерзшей связной воды в тонкодисперсных породах даже при достаточно низких температурах, благодаря которой шунтируется влияние ледяных включений и ослабляется проявление эффекта Максвелла-Вагнера.

    Таким образом, показано, что при разведке на воду в районах развития многолетнемерзлых пород обеспечить достоверность интерпретации электроразведочных данных и существенно повысить информативность изучения криологических параметров горных пород можно, изучая специфические для мерзлоты быстро протекающие процессы вызванной поляризации. Проведенные на различных образцах лабораторные исследования в морозильной камере при разных температурах позволили установить основные зависимости быстрой ВП от льдистости, температуры, криотекстуры, литологии. Развитие этого направления позволит решать с помощью электроразведки гораздо более сложные гидрогеологические задачи, чем это делается традиционными, применяемыми в настоящее время методами.

Благодарности

Лабораторные измерения выполнены во многом благодаря помощи сотрудников отдела инженерно-геокриологической съемки ФГУП Фундаментпроект, которым автор очень признателен.

Список литературы

  1. Агеев В.В., Каринский С.Д., Светов Б.С. Становление электромагнитного поля в поляризующихся средах и определение параметров Cole-Cole // Геофизика. 2006., №5. С.40-45
  2. Кожевников Н.О.       Быстропротекающая индукционно-вызванная поляризация в мерзлых породах // Геология и геофизика. 2012. т.53. №4. С. 527-540
  3. Кожевников Н.О., Никифоров С.П., Снопков С.В. Исследование быстропротекающих прцессов вызванной поляризации в мерзлых породах // Геоэкология. 1995. № 2. С. 118-126.
  4. Крылов С.С., Бобров Н.Ю. Частотная дисперсия электрических свойств мерзлых пород при электромагнитных зондированиях с вертикальным магнитным диполем // Физика Земли, 1997, №3, С.64-70.
  5. Сидоров В.А., Шабаев Ю.Н. Исследование поляризации образцов пород с высокоомными прослоями. // «Вопросы поляризации горных пород» под ред. В.А. Сидорова и А.А. Молчанова, ВНИИГИС, Октябрьский, 1985, Деп. в ВИНИТИ №5847-85, С. 65-70.