Развитие метода электрической томографии на основе математического моделирования электрических полей

Актуальность работы. Метод сопротивлений, основанный на различии удельных электрических сопротивлений горных пород, применяется при решении разнообразных геологических задач в модификациях электрических зондирований или профилирований. В последнее десятилетие в Дальневосточном регионе актуальной стала задача разведки угольных месторождений для открытого способа добычи. Регион располагает значительными ресурсами каменных и бурых углей, которые могут удовлетворить его потребности в твёрдом топливе. Однако разведка месторождений в сложно-построенных геологических условиях требует большого количества дорогостоящих скважин. Применяемые ранее наземные геофизические исследования и, в первую очередь, модификации метода сопротивлений, не позволяли детально изучать разрез между редкими скважинами.

При решении задач инженерной геологии, гидрогеологии и геоэкологии, где в настоящее время сосредоточены основные объёмы работ метода сопротивлений, исследования проводятся также в условиях сложного горизонтально-неоднородного строения с высоким уровнем неоднородности физических свойств горных пород. Применение методов электрического зондирования, а тем более элекгропрофилиро-вания, не отличается высокой эффективностью полученных результатов. Поэтому для оценки структурно-тектонического строения геологических сред необходимо применять новые модификации, которые позволяют получать исходные данные с высокой плотностью и точностью измеряемых параметров. Такая постановка проблемы обоснована ведущими электроразведчиками страны.

Создание многоканальной электроразведочной аппаратуры в конце прошлого столетия привело к широкому применению метода сопротивлений при размещении большого количества (до нескольких сотен) электродов на дневной поверхности. Новые многоэлектродные системы наблюдений, управляемые полевым компьютером, позволили перейти от редких электрических зондирований к плотным системам наблюдений с многократным использованием каждого электрода в процессе измерений. При полевых работах применяются высокопроизводительные помехоустойчивые цифровые комплексы. Такая технология работ названа электрической томографией (Electrical Resistivity Tomography).

Новые задачи и технологии потребовали теоретических разработок, связанных с математическим моделированием электрических полей для многоэлектродных систем наблюдений и изучением структуры поля. Известно, что «принцип моделирования изучаемых полей и сред — это важнейший принцип классической электроразведки» (Светов, Бердичевский, 1998). Моделирование необходимо использовать на всех этапах электроразведочных работ, в том числе для оценки их информативности. Поэтому для внедрения электрической томографии при детальном изучении геологических сред весьма актуальна проблема решения прямых задач в неоднородных средах при произвольном расположении источников и приёмников, формирования закономерностей аномальных областей в электрических полях и установления критериев обнаружения в разрезе искомых объектов.

Цель работы. Оценка информативности электрической томографии при изучении структурно-тектонического строения геологических сред на основе математического моделирования, установления закономерностей аномальных электрических полей и критериев обнаружения в разрезе искомых объектов.

Основные задачи исследования.

1. Обзор исследований электрической томографией с анализом возможностей многоэлектродной аппаратуры, методических особенностей проведения полевых работ и способов обработки томографических матриц.

2. Анализ основных положений по формированию геоэлекгрических моделей с учётом априорной геолого-геофизической информации и результатов моделирования полей.

3. Разработка вычислительных алгоритмов и программ расчета кажущихся сопротивлений для горизонтально-слоистой среды и однородной среды со сфероидом вращения при произвольном расположении электродов не только на дневной поверхности, но и внутри среды (в скважине).

4. Изучение особенностей пространственной структуры электрического поля по выбранным моделям и установкам, установление закономерностей аномального электрического поля при различных соотношениях геометрических и физических параметров сред.

5. Определение критериев обнаружения и прослеживания в разрезе промежуточных слоёв и локальных объектов при расположении электродов на поверхности и для системы наблюдений «скважина-поверхность».

6. Формирование фоновых геоэлектрических моделей оползневого склона на угольном разрезе «Восточный» и установление закономерностей поля при выделении ослабленных слоев.

7. Проведение опытно-методических работ с различными многоэлектродными комплексами, опробование методических приёмов, оценка информативности полевых матриц при изучении структурно-тектонического строения геологических сред на различных участках.

Идея работы заключается в использовании аппарата математического моделирования, закономерностей аномальных электрических полей и критериев выделения объектов при формировании фоновых геоэлектрических разрезов и определении предварительных параметров для исключения эквивалентных решений в процессе интерпретации томографических матриц.

Защищаемые положения.

1. Программно-математическое обеспечение расчёта кажущихся удельных сопротивлений для слоистых разрезов и сред с локальным объектом, произвольного расположения источников и приёмников на дневной поверхности и внутри среды (по стволу скважины) с применением аналитических и численных методов решения позволяет получать теоретические томографические матрицы и оценивать разрешающую способность разных систем электрической томографии при обнаружении и прослеживании слоёв и локальных объектов.

2. Основными критериями обнаружения и прослеживания слоёв, выклинивающихся пластов и локальных объектов в разрезе кажущихся сопротивлений служат форма аномальных областей, закономерности изменения градиентов поля, взаимное расположение нормальных и обратных по знаку аномальных значений кажущихся сопротивленийпредварительное определение геометрических параметров разреза производится по расположению изолиний в зоне их сгущения.

3. Фоновые геоэлектрические модели оползневых массивов, составленные на основе априорной геолого-геофизической информации и анализа результатов математического моделирования с конкретными параметрами, позволили устранить эквивалентные решения при формировании геоэлектрического разреза с учетом закономерностей поля и критериев выделения ослабленных слоёв.

4. Новые данные о структурно-тектоническом строении, полученные на основе геоэлектрических моделей для угольных депрессий, рудного района, оползневого склона угольного разреза и площадей проектируемого строительства, подтвержденные заверочными скважинами, показали повышенную информативность электрической томографии по сравнению традиционными модификациями метода сопротивлений.

Научная новизна.

1. Впервые разработано программно-математическое обеспечение (алгоритмы и программы) расчёта кажущихся удельных сопротивлений для горизонтально-слоистой среды и однородной среды со сфероидом при расположении питающих и приёмных электродов на вертикальных (скважина) и горизонтальных (дневная поверхность) профилях.

2. Установлены закономерности электрических полей томографических матриц в зависимости от геометрических и физических параметров выбранных моделей и систем наблюдений.

3. Определены критерии обнаружения и выделения промежуточных слоев, горизонтально-протяженных локальных неоднородностей и выклинивающихся горизонтов в геоэлектрическом разрезе.

4. Составлены фоновые геоэлектрические модели оползневых склонов на угольном разрезе «Восточный», определены закономерности поля при выделении ослабленных слоев, установлены условия обнаружения и прослеживания мягкопластичных глин среди четвертичных отложений и пластичных глин неогенового возраста.

5. Получены новые данные о структурно-тектоническом строении нескольких участков Приморского края при картировании угольных депрессий и решении задач инженерной геологии.

Достоверность и обоснованность научных положений и выводов обеспечивается созданными алгоритмами и корректной постановкой задач по обоснованию эффективности электрической томографии на основе базового принципа электроразведкипринципа моделирования изучаемых полей. Этот принцип позволил определить рациональную систему наблюдений, оценить разрешающую способность, критерии выделения изучаемых объектов и, в конечном счете, результативность новой модификации метода сопротивлений. Выбранные идеализированные модели, в первом приближении, отражают фрагменты геоэлектрических разрезов и имеют решения по определению потенциала в поле точечного источника. Такой подход вполне оправдан, поскольку анализировать результаты моделирования и определять закономерности поля в рамках сложных сеточных моделей трудно и неоправданно. Понижение размерности существенно упрощает построение модели начального приближения, поскольку уменьшает число определяемых параметров и, соответственно, неоднозначность решения обратной задачи.

Практическая ценность. Разработанные алгоритмы и программы оперативного расчёта полей кажущихся удельных сопротивлений для выбранных моделей и установок, результаты анализа характерных особенностей поведения полей, критерии обнаружения и прослеживания слоев и локальных объектов в разрезе позволяют выбирать рациональные системы наблюдений, создавать новые приёмы обработки полевых матриц, оценивать информативность электрической томографии при решении конкретных геологических задач. Проведенные опытно-методические работы позволили оценить эффективность электрической томографии при картировании углепер-спективных участков в Приморье, при изучении структуры золоторудного месторождения в Амурской области и инженерно-геологических изысканиях в строительстве и на угольных разрезах. Но области практического применения новой модификации обширны — это рудные объекты и их ореолы, линзы подземных вод, подземные карстовые полости, области техногенного загрязнения пород, различные археологические объекты и другие разнообразные локальные неоднородности естественного или техногенного происхождения. Причём задачами исследований является не только обнаружение и оконтуривание неоднородностей, но и слежение за динамикой развития неоднородностей во времени. Новый этап развития электрической томографии с применением систем наблюдений скважина-поверхность приведет к повышению эффективности метода сопротивлений и дальнейшему расширению его возможностей.

Личный вклад автора. Состоит в разработке прямых задач, создании алгоритмов и программ математического моделирования электрических полей для выбранных неоднородных сред и томографических систем наблюдений, анализе результатов математического моделирования и формирования закономерностей аномального электрического поляустановление критериев обнаружения и прослеживания промежуточных слоев в слоистом разрезе и локальных объектов во вмещающей средеобосновании эффективности применения систем наблюдений «скважина-поверхность», формировании фоновых геоэлектрических моделей оползневых склонов угольного разреза.

В основу диссертационной работы положены результаты теоретических и экспериментальных исследований автора за период с 1996 по 2006 годы, материалы полевых работ, организованных и проведенных автором в Приморье и Амурской области по заказам ФГУГП «Приморская поисково-съёмочная экспедиция», ЗАО «ЛуТЭК», ОАО «Приморскуголь», ДальНИИС РААСН, ЗАО «Артель «Инагли», ООО «Сейсмо-защита» и других организаций.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены в 45 печатных работах. Отдельные положения диссертации докладывались на 30-м Международном геологическом конгрессе (Пекин, 1996 г.), первом, третьем и пятом международных студенческих форумах стран Азиатско-Тихоокеанского региона (Владивосток, 1995, 1999, 2003 гг.), конференциях Дзилиньского университета КНР (1996, 1999, 2002 гг.), научно-технических конференциях ДВГТУ (1994;2004 гг.), других международных и региональных конференциях. Результаты исследований автора вошли составной частью в отчеты научно-исследовательских работ по проектам Минобразования РФ «Исследование возможностей применения томографической электроразведки» (1998— 2000 гг.), «Методология электрической томографии при детальном изучении геологической среды» (2001;2003 гг.), «Разработка физико-математических основ метода электрической томографии при изучении геологических сред» (2002;2004 гг.), по грантам ГФЕН КНР «Разработка теоретических основ и методики определения положения аномалиеобразующих источников при электрических исследованиях в слож-нопостроенных условиях» и «Разработка теоретических основ, метода и техники томографии удельного электрического сопротивления», по гранту американского агентства международного развития «ЭкоЛинкс» (USAID) «Оценка альтернатив улучшения качества воды на Павловском угольном разрезе ОАО Приморскуголь» (2002 г.).

Материалы и отчеты полевых работ, проведенных автором в Приморье и Амурской области вошли составной частью в производственные отчеты по разведке участка Фадеевский, Одолгинского золоторудного поля и др., составили геофизические разделы 17 отчетов по инженерно-геологическим изысканиям г. Владивостока и Приморья.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Объём — 155 страниц текста, включая 52 рисунка и 4 таблицы. Библиографический список содержит 147 наименований.

Заключение

.

В диссертации содержится решение задачи по развитию метода электрической томографии, имеющее важное значение для повышения эффективности геофизических исследований при поиске и разведке полезных ископаемых, а также при инженерно-геологических изысканиях. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен обзор исследований электрической томографии и анализ цифровых многоканальных комплексов различных компаний. Особенностями аппаратуры являются высокая производительность, наглядность изображения исходных данных, повышенная точность измерений и помехоустойчивость.

2. Установлено, что для обработки данных электрической томографии при предварительной оценке геологического строения среды чаще всего используют лишь разрезы кажущегося сопротивления. Этой процедуры явно недостаточно для формирования фонового геоэлекгрического разреза.

3. Решены прямые задачи, разработаны алгоритмы и программы расчета электрического поля для моделей горизонтально-слоистой среды и полупространства со сфероидом вращения при расположении источников и приёмников на поверхности и внутри среды.

4. Установлены закономерности аномальных полей, критерии обнаружения и прослеживания слоев и локальных объектов на основе анализа результатов моделирования электрического поля при различных соотношениях геометрических и физических параметров выбранных сред, разных расположениях многоэлектродных расстановок только на поверхности и на горизонтальных (поверхность) и вертикальных (скважина) профилях.

5. Разработаны фоновые геоэлектрические модели оползневых массивов на участке угольного разреза «Восточный», составленные на основе априорной геолого-геофизической информации и анализа результатов математического моделирования, которые позволили установить закономерности поля при выделении ослабленных слоёв и условия обнаружения мягкопластичных глин среди четвертичных аллювиальных отложений и пластичных глин неогена совместно с обводнёнными суглинками, алевролитами и аргиллитами палеогена.

6. Получены новые данные и показана эффективность электрической томографии при детальном изучении верхней части геоэлектрического разреза в процессе проведенных опытно-методических работ на нескольких участках Приморского края при картировании угленосных депрессий, на участке «Одолго» при детальном изучении структуры золоторудного месторождения, участках будущего строительства г. Владивостока и южного Приморья. Преимущество методики определяется высокой производительностью полевых работ, оперативностью обработки материалов и возможностью построения двумерной геоэлектрической модели, отражающей строение геологических разрезов с большей детальностью по сравнению традиционными модификациями метода сопротивлений.

Дальнейшее совершенствование технологии электрической томографии связано с разработкой методики наблюдений «скважина — поверхность». Обоснование такой методики наблюдений проведено на основании математического моделирования электрических полей. Установлено, что разрешающая способность систем наблюдений «скважина-поверхность» по сравнению с поверхностными томографическими системами резко возрастает. Границы, пласты и локальные объекты уверенно отмечаются локальными аномалиями, осложнёнными рядом экранных аномалий.

К сожалению, технологию электрической томографии с расположением системы наблюдений в скважинах и на поверхности невозможно опробовать в полевых условиях, поскольку скважинные кабели серийно не производятся. Поэтому в настоящее время проводится опытно-конструкторская разработка такого кабеля и его полевое опробование.