Изучение речных палеодолин в четвертичных отложениях береговой зоны Вьетнама методом электрической томографии

Вестник ДВО РАН. 2009. № 4

УДК: 550.837.31

Р.Г.КУЛИНИЧ, ДО Ч.ТАНГ, Г.Н.ШКАБАРНЯ, И.В. ДМИТРИЕВ, В.М.НИКИФОРОВ

Изучение речных палеодолин в четвертичных отложениях береговой зоны Вьетнама методом электрической томографии

Представлены новые данные о детальной структуре четвертичных отложений на глубину до 60м, определены геофизические характеристики и критерии выделения горизонтов верхней части геологического разреза. По профилям электрической томографии построены геоэлектрические разрезы, которые позволили детально проследить подошву современных аллювиальных отложений и кровлю отложений среднего голо-цена, подстилающих обводненный комплекс верхнего голоцена. Выполненные работы являются основой для детального изучения дельтовых отложений р. Красная.

Ключевые слова: электрическая томография, геоэлектрические разрезы, погребенные палеодолины, четвертичные отложения.

Investigation of quaternary river paleovalleys in the coastal zone of the northern Vietnam by the method of electrical tomography. R.G.KULINICH (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), DO C. THANG (Institute of Marine Geology and Geophysics of VAST, Khanoi), G.N.SHKABARNYA, I.V.DMITRIEV, V.M.NIKIFOROV (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

New data on the detailed structure of quaternary sediments down to 60 m depth are presented with definition of geophysical characteristics and criteria of horizons allocation for the shallow geological section. Geoelectrical sections have been constructed on the basis of the completed electrical tomography profiles. These sections allowed us to observe in detail the bottom of recent alluvial sediments and the top of the Middle Holocene sediments, which is the bottom for the Upper Holocene watered complex. The completed works are the basis for the detailed investigation of deltoid sediments of the Red River.

Key words: electrical resistivity tomography, geoelectrical sections, buried paleovalleys, quaternary sediments.

Роль палеодолин и комплексов их заполнения в эволюции и динамике береговых зон входит в ряд фундаментальных проблем, связанных с изучением молодых отложений береговой зоны и шельфа. Сейсмические исследования методами отраженных волн, выполненные в пределах континентальных шельфов различных районов мира, существенно пополнили современные представления о геометрии и структуре сети палеодолин, их роли в качестве индикатора вариаций уровня моря, источника прибрежного осадконакопления и системы проводящих каналов для глубинных флюидных потоков. К сожалению, изученность указанных объектов весьма неравномерна - существуют районы, где отсутствует детальная информация о важнейших характеристиках системы погребенных палеодолин. К таким районам относится береговая зона Вьетнама, для которого важнейшей задачей

КУЛИНИЧ Руслан Григорьевич - доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией; ШКА-БАРНЯ Григорий Николаевич - кандидат технических наук, научный сотрудник, ДМИТРИЕВ Иван Викторович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, НИКИФОРОВ Валериан Митрофанович - кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток), До Чиен ТАНГ - заместитель директора (Институт морской геологии и геофизики Вьетнамской Академии наук и технологий, Ханой). E-mail: shkabarnya@mail.ru

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 07-05-90007-Вьет_а.

является выяснение роли четвертичных палеодолин в образовании и динамике приливноотливных бухт, проливов и штормовых разрушений в береговой зоне, омываемой ЮжноКитайским морем.

Погребенные палеодолины, различные по генезису, форме и размерам, составляют неотъемлемую часть морфоструктуры четвертичной геологии береговых зон континентов и островов. Их изучение весьма важно не только для решения ряда научных проблем четвертичной истории береговых систем, но и для нужд прикладного характера. В первом случае изучается роль паледолин в качестве индикатора временных вариаций уровня моря, источника береговых и шельфовых осадков, внешнего проявления тектонических подвижек в фундаменте осадочных отложений и др. Во втором случае исследуется роль палеодолин и заполняющих их отложений в формировании и последующей динамике береговых линий в условиях приливно-отливных и штормовых процессов. Это имеет важнейшее значение с хозяйственной и социальной точек зрения для стран с протяженной береговой линией.

Объект настоящих исследований - прибрежная зона дельты р. Красная, главной речной системы северного Вьетнама в провинции Намдинь вблизи устья главного рукава (рис. 1). Это обширная равнинная территория, имеющая плоскую топографию с превышениями около 1-3 м и характеризующаяся плотной сетью дренажа со множеством каналов сельскохозяйственной ирригационной системы.

Региональная геология провинции Намдинь связана главным образом с формированиями четвертичных отложений, поэтому ей посвящено немного работ. Только с 60-х годов прошлого столетия, когда во Вьетнаме начались нефтегазопоисковые исследования в пределах осадочных депрессий, к северу от исследуемой области был пробурен ряд скважин,

Рис. 1. Схема расположения профилей электрической томографиии в провинции Намдинь, ноябрь 2007 г.

по материалам которых изучено структурное строение четвертичных и третичных отложений. В 1973-1978 гг. были завершены работы по созданию листа геологической карты провинции Намдинь в масштабе 1:200000, в 1985 и 1995 гг. выполнены дополнительные исследования по уточнению листа геологической карты с привязкой общих данных по минеральным ресурсам региона.

Задача изучения структурного строения погребенных палеодолин ограничивает исследование геологического разреза до глубины 50 м. Данные структуры в разных странах, как правило, изучаются с помощью геофизических методов высокого разрешения. В пределах шельфа основная роль отводится сейсмоакустическим, в пределах береговой зоны - сейсмическим методам, георадиолокации и электротомографии.

Подобные исследования в пределах вьетнамской береговой зоны до сих пор не проводились. Главная цель настоящей работы - получить общее представление о детальной структуре верхних 50 м береговых осадочных отложений, определение геофизических характеристик и критериев изучения верхней части геологического разреза.

Информация о возможных физических свойствах разреза получена путем анализа имеющихся геологических данных. Верхняя часть геологического разреза (до 100 м) исследуемой территории представлена формированиями голоцена морского и речного происхождения. Верхний голоцен атР1у3 Л, имеющий мощность в среднем до 30 м, представлен коричневой и темно-серой глиной, илом преимущественно морского происхождения и мелкозернистым песком. Этот слой сверху перекрыт аллювиальными отложениями р. Красная (аР1у3 Л, коричневый ил и глина) мощностью до 7 м. Отложения среднего и нижнего голоцена атР1у1-2 hh мощностью до 30 м представлены мелкозернистым песком и илистой глиной.

Преимущественное развитие в разрезе голоценовых отложений морского происхождения определяет низкие значения удельных электрических сопротивлений и скоростей разреза, а постепенный характер формирования прибрежных отложений позволяет говорить об отсутствии четких границ в формированиях голоцена и постепенной смене верхнего голоцена подстилающими отложениями среднего и нижнего голоцена. Таким образом, наземные геофизические исследования методами сейсморазведки и георадиолокации здесь чрезвычайно затруднены. Изучение верхней части разреза сейсморазведкой методом преломленных волн осложнено отсутствием выдержанной границы с повышенной скоростью, постепенным увеличением песчаной фракции в разрезе среднего и нижнего голоцена, наличием фациальных замещений. Для метода георадиолокации возможность исследований по глубине ограничена подошвой аллювиальных отложений р. Красная, так как подстилающие их глины Р1у3 Л имеют высокую диэлектрическую проницаемость и практически полностью поглощают электромагнитные волны.

Наиболее приемлемым методом изучения структуры четвертичных отложений в данных условиях является электроразведка постоянным током [2]. Однако сочетание распространенных модификаций электрического зондирования с методикой полевых работ подвижными источниками, которая определяет редкую сеть измеренных значений кажущихся сопротивлений рк как по разносам, так и по профилю, не может обеспечить детального изучения характера верхней части разреза [9] и проследить залегание элементов палеодолин в условиях слабой дифференциации пород разреза по удельному сопротивлению. Для решения данной задачи необходимо применение новых модификаций электроразведки, которые позволяют получать исходные данные с высокой плотностью и точностью измеряемых параметров.

Создание многоканальной электроразведочной аппаратуры в конце прошлого столетия обусловило широкое применение метода сопротивлений при размещении большого количества электродов на дневной поверхности [1, 3, 5, 8]. Эту методику можно рассматривать как многоразносное профилирование или как систему зондирований с частым шагом по профилю. Новые многоэлектродные системы наблюдений, управляемые полевым

компьютером, позволили от редких электрических зондирований перейти к плотным системам наблюдений с многократным использованием каждого электрода в процессе измерений. При полевых работах применяются высокопроизводительные помехоустойчивые цифровые комплексы - технология электрической томографии (Electrical Resistivity Tomography) [6, 7].

Практическое воплощение электрической томографии стало возможным благодаря появлению многоканальных измерительных комплексов со встроенными микропроцессорами и памятью, которые позволяют контролировать работоспособность всех узлов аппаратуры, где переключение питающих и приемных электродов управляется по программе компьютером.

Многоканальные комплексы бывают двух типов: главный кабель присоединяет ряд электродов к центральному переключателю и только затем подключает к измерительному блоку регистрации и накопления; каждый электрод оборудован своим переключателем и через кабель подключен непосредственно к измерителю.

Одни комплекты аппаратуры предназначены для работы лишь с определенными установками и полевыми методиками, другие легко перенастраиваются, что позволяет использовать разные установки и методики. Число переключаемых электродов также различается в широких пределах: от 4-64 каналов у LUND Imaging system (ABEM) до 960 каналов у DMT. Переключение электродов осуществляется автоматически с помощью команд, передаваемых на электронные ключи каждого электрода. Все измерения и переключения контролируются полевым компьютером, оценивается погрешность измерений, результаты которых можно визуализировать в реальном времени на экране дисплея.

В процессе полевых работ производится расстановка электродов, как правило, на равных расстояниях друг от друга вдоль прямолинейного профиля (рис. 2). В ходе наших исследований использовали расстановку из 96 электродов по прямолинейному профилю с шагом 5 м. Измерения разности потенциалов AU и тока I в каждый момент осуществляли единичной установкой с заданным по программе расположением питающих и приемных электродов, каждый из которых используется в качестве как питающего, так и приемного [3, 4]. Переключение электродов с выбором единичной установки производится

Рис. 2. Схема томографической расстановки из 20 электродов с опросом системы по единичной установке Веннера

микропроцессором по заданной программе. Обычно в качестве единичной задаются симметричные четырехэлектродные установки Веннера (АМЫВ, АМ = ММ = N5), Шлюм-берже (АММВ, ММ < 1/3 АВ), осевые (АВММ, АВ = ВМ = ММ), трехэлектродные односторонние или двухсторонние варианты установок Веннера или Шлюмберже. Изменение расстояния между приемниками и источниками разными установками позволяет изучать разрез в горизонтальном (по латерали) и вертикальном (по глубине) направлениях. Нами использовалась наиболее распространенная в практике исследований симметричная установка Веннера.

Для автоматического выбора необходимых четырех электродов в процессе каждого измерения используется полевой компьютер. Последовательность выполняемых измерений, применяемый тип установки и другие параметры обычно вводятся в текстовой файл, который считывается компьютерной программой. После считывания файла программа автоматически выбирает соответствующие электроды единичной установки для каждого измерения.

Процесс измерений начинают с начальным действующим разносом, определяемым шагом между электродами. Например, для установки Венера начальным разносом является величина г = АВ/2 = 3/2а, где а - расстояние между электродами. При этом разносе измеряются все возможные величины АП и I для расстановки и определяются кажущиеся сопротивления (р) или поляризуемости (п ). Затем расстояния между электродами и соответственно разносы установки увеличивают вдвое (2а, г2 = 3а) и снова измеряют параметры, потом расстояние увеличивают втрое и так далее до последнего возможного разноса г = Ь/2, где Ь - длина соответствующей базы системы наблюдений. По мере увеличения разносов установки уменьшается количество определений параметров поля для конкретного г, которое зависит от типа выбранной установки. Установка Венера позволяет выполнить наименьшее число измерений.

В результате измерений при одной расстановке электродов получаем полевую томографическую матрицу [3, 4], где значения рк по строкам отражают изменение электрических параметров среды в разных точках профиля при фиксированном разносе (график электропрофилирования), а значения по столбцам - изменение параметров при разных разносах установки в одной точке профиля (кривая электрического зондирования). Такая методика позволяет получить двухмерное изображение геологической модели среды. Начальное расстояние между электродами определяется необходимостью исследования верхней части разреза (почвенно-растительный слой, наносы), но оно ограничено размерами отрезков кабеля между электродами.

При работе с 96-электродной системой наблюдений, выбрав единичную установку Венера и начальное расстояние а, получаем 93 значения р в первой строке матрицы, при длине 2а - 90 значений во второй строке и так далее до трех значения р при последней возможной длине между электродами, равной 31а. В результате томографическая матрица, получаемая при одной расстановке электродов, состоит из 31 строки и 1488 значений р .

Для формирования разреза кажущихся сопротивлений точку записи по строкам относят к середине приемной линии установки, а по столбцам - к соответствующему разносу в масштабе. Такой разрез дает наглядную, хотя и приближенную картину распределения электрических свойств горных пород по профилю и глубине. Он удобен для изображения и оперативного представления значений кажущихся сопротивлений в полевых условиях.

Интерпретацией томографических матриц по выполненным профилям (съемка 2Б) получена информация о закономерностях изменения удельных электрических сопротивлений горных пород в горизонтальном и вертикальном направлениях (двухмерная модель) с построением соответствующих геоэлектрических разрезов. Проведение 3Б съемки, позволяющей получить трехмерную модель разреза, на исследуемой территории чрезвычайно затрудняет густая ирригационная сеть рисовых полей, по которым прокладывались томографические профили.

Результаты

Нами установлены возможности электрической томографии при детальном изучении структуры четвертичных отложений береговой зоны на основе анализа данных о закономерностях распределения физических свойств пород верхней части разреза с оценкой их литологического соответствия. На первом этапе исследований решена задача детального прослеживания подошвы аллювиальных отложений и кровли отложений среднего голоцена, подстилающих глинистый комплекс верхнего голоцена

Всего выполнено восемь профилей длиной 475 м каждый, расположенных в прибрежной зоне к западу от устья главного рукава р. Красная. Положение профилей было ограничено сетью ирригационных каналов, его выбирали таким образом, чтобы охватить максимально возможную площадь исследования.

На одном из профилей опробованы установки опроса (Веннера, Шлюмберже и осевая), форм и длительности питающего сигнала, количества и длительного измерения разности потенциалов на приемных линиях; расстояния между электродами изменяли. Наиболее рациональным является режим с прямоугольным питающим сигналом длительностью 1 с, опросом установки Венера и тремя измерениями разности потенциалов на каждом разносе. Проведенные по окончании работ контрольные измерения (повторные наблюдения на седьмом профиле) показали высокую точность определения кажущегося сопротивления (среднее расхождение менее 0,1 Ом). Однако на некоторых профилях из-за трудности работы в условиях повышенной влажности на рисовых полях качество сигнала было неудовлетворительным.

На основе томографических матриц по восьми профилям вначале построили разрезы кажущихся сопротивлений, а после их анализа и интерпретации - геоэлектрические (рис. 3). В целом фоновый геоэлектрический разрез выдержан по площади исследований. Он включает в себя три горизонта: верхний мощностью 2-6 м характеризуется относительно высоким уровнем удельного электрического сопротивления (2-7 Ом); средний мощностью 35-40 м имеет удельное сопротивление 0,5-1 Ом; подстилающим по всей площади исследования является горизонт с электрическим сопротивлением более 1,5 Ом. Выделенные границы горизонтальны либо имеют небольшие (до 3°) углы наклона.

Верхний горизонт связан с современными аллювиальными отложениями р. Красная (коричневатый ил и глина) верхнего голоцена, содержащими слабоминерализованную и пресную воду. Ирригационные каналы из-за проникновения опресненных вод в окружающее пространство отмечаются аномальными зонами утолщения высокоомного горизонта на 1-2 м. Аномальные зоны в 2-3 раза шире каналов. Видно, что на отдельных участках мощность аллювиальных отложений сокращается до выклинивания.

Средний горизонт связан с формированиями голоцена морского и речного происхождения (атР1у3 /Ь), представленными коричневой, темно-серой пластичной глиной и илом, мелкозернистым песком, содержащими минерализованную воду. Здесь выделяются аномальные области, на 0,2-0,3 Ом отличающиеся по электрическому сопротивлению от вмещающих пород и предположительно связанные с высокой концентрацией минерализованных вод, а также пропластками и линзами набухания осолоненной текучепластичной глины. Размеры этих пропластков - 5-15 м по мощности и 10-100 м по профилю. Отмечается погружение подошвы горизонта в юго-восточном направлении при приближении к береговой линии (см. рис. 3). Предполагается, что такие неоднородности связаны со строением палеосети проток дельты р. Красная.

Нижний, подстилающий, горизонт повышенного сопротивления с удельным сопротивлением более 1,5 Ом связан с отложениями среднего и нижнего голоцена атР1у1-2 НИ (мелкозернистым песком и илистой глиной). Глубина залегания его кровли увеличивается в юго-восточном направлении. Этот горизонт прослеживается повсеместно на площади

Профиль № 2

Ps^0 0 80 160 240 320 400

Deplh Iteration error “ 4.3 %

0.0 80 160 240 320 400

0,5 0,56 0,63 0,7 0,79 0,88 0,99 1,1 1.24 1,39 1,55 1,74 1.95 2,18 2,44 2,74

Рис. 3. Разрезы кажущихся сопротивлений (а) и геоэлектрические разрезы (б) по профилям № 2 и 6

исследования и является опорным. Из-за недостаточности разноса применяемой измерительной томографической установки подошва этого горизонта не установлена.

Таким образом, наземные геофизические исследования позволили получить новые данные о детальной структуре четвертичных отложений в береговой зоне Вьетнама на глубину до 60 м и на их основе определить геофизические характеристики и критерии выделения горизонтов верхней части геологического разреза. Предварительный анализ геологических материалов и оценка литологических особенностей разреза дали основание предполагать, что использование общепринятого комплекса геофизических методов здесь затруднено из-за ограниченности возможностей сейсмических методов и георадиолокации при детальном изучении верхней части низкоомного и низкоскоростного разреза исследуемой территории. Предварительный анализ георадарных профилей дает основание считать, что глубина освещения разреза составляет около 6-7 м и ограничена мощностью аллювиальных отложений. При этом основная информация георадиолокационных

разрезов относится к первому, относительно высокоомному геоэлектрическому горизонту, отражения от объектов второго горизонта с удельным сопротивлением 0,5-0,7 Ом носят нерегулярный характер. Поэтому в качестве основного метода исследования использовали электрическую томографию.

Установлены основные закономерности изменения характера геоэлектрических разрезов на исследуемой территории в зависимости от расстояния до моря и реки. По результатам контрольных электрических измерений точность получения кажущегося сопротивления, относящегося ко второму геоэлектрическому горизонту, оценивается в 0,1 Ом. Это позволяет рекомендовать электротомографические исследования в качестве одного из методов для детального изучения дельтовых отложений р. Красная, включая мониторинг электрического сопротивления с целью обнаружения эффекта от периодического проникновения морских вод в долину по системе палеоканалов вследствие приливных и сезонных колебаний уровня моря.

На основании анализа параметров геоэлектрических разрезов проведена оценка возможности применения высокочастотного электромагнитного зондирования для решения поставленной задачи.

Работы проводились при непосредственном участии представителей Института морской геологии и геофизики Вьетнамской Академии наук и технологий. Вьетнамскими партнерами проведен предварительный сбор геологических материалов по площади исследования, выполнено георадарное сканирование по профилям. Кроме того, вьетнамская сторона оказала неоценимую помощь в организации и проведении полевых работ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бобачев А. А., Горбунов А.А., Модин И.Н., Шевнин В. А. Электротомография методом сопротивлений и вызванной поляризации // Приборы и системы разведочной геофизики. 2006. № 2. С. 14-17.

2. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. М.: Недра, 1990. 501 с.

3. Шкабарня Г.Н. Возможности и перспективы электрической томографии при детальном изучении геологической среды // Геоинжиниринг. 2006. № 1. С. 48-51.

4. Шкабарня Г.Н. Обоснование новой технологии электрической томографии для разведки угольных месторождений // Горн. информ.-аналит. бюл. М.: Мир горной книги, 2007. Вып. 9: Дальний Восток. С. 377-390.

5. Christensen N.B., Sorensen K.I. Integrated use of electromagnetic methods for hydrogeological investigations // Proc. Symp. Appl. Geophys. Eng. Environ. Probl. Boston, Massachusetts, 1994. P. 163-176.

6. Dahlin T. 2D resistivity surveying for environmental and engineering application // First Break. 1996. Vol. 14. P. 275-284.

7. Loke M.H., Barker R.D. Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections using a quasi-Newton method // Geophys. Prospect. 1996. Vol. 44. P. 131-152.

8. Shkabarnya G.N. Application of electrical tomography at detailed study of the upper part of geological section // Proc. 2nd Int. Symp. Geosci. NE Asia (Changchun, China, 9-10 окт. 2002 г.). Changchun, 2002. P. 212-214.

9. Shkabarnya G.N., Shkabarnya N.G., Stolov B.L. Use of induced polarization method in search for deposits of composite geological media // Proc. 30th Int. Geol. Netherlands. 1997. Vol. 20, Geophysics. P. 130-139.