Способ поиска подземных вод
METHOD OF UNDERGROUND WATERS SEARCHING

Изобретение относится к геолого-геофизическим методам поисков месторождений подземных вод и может быть использовано для обоснования проведения поисково-разведочных работ на подземные, пресные и минерализованные воды.
Известен способ поиска и разведки подземных вод, согласно которому по результатам дистанционных исследований выделяют кольцевые структуры и участки выхода в них глубинных тепловых потоков. На выделенных объектах проводят магнитную съемку, выявляют переходы положительных значений напряженности магнитного поля через нулевые значения в отрицательные значения, оконтуривают обводненную зону и проводят ее разведку буровыми скважинами (патент РФ №2006891, G01V 9/00).
Однако необходимо отметить следующее. Кольцевые структуры не всегда контролируют зоны обводнения. Большей частью трещиноватые и обводненные зоны имеют линейно-вытянутую форму и связаны с разрывными нарушениями. Напряженность магнитного поля далеко не всегда отражает информацию о водных коллекторах в выделенных зонах, что не позволяет с достаточной уверенностью судить о запасах и объемах подземных вод в изучаемых горизонтах. Природа магнитных аномалий во многих случаях обусловлена петрографическими, литологическими и металлогеническими факторами и не связана с водонасыщением. При этом способ сложен и трудоемок в реализации, что связано с необходимостью выполнения значительных объемов изысканий для изучения геологических, структурных, литологических особенностей массивов.
Известен также способ поиска и разведки подземных вод, в котором путем выделения по результатам изучения космо- и аэрофотоснимков кольцевых структур и участков выхода в них глубинных тепловых потоков, определяют в них по результатам геофизических исследований участки обводненных зон (патент РФ №2178191, G01V 9/02, прототип). Оконтуривают выделенные участки и проводят разведку буровыми скважинами. Выделяют дисперсии плотности видеотона и электрического потенциала кольцевых структур и участков выхода в них глубинных тепловых потоков. Проводят геофизические исследования участков обводненных зон путем совмещения метода вертикального электрического зондирования методом двух составляющих (ВЭЗ МДС). Выявляют аномалии электрического поля, дифференцируют их высшими производными. По результатам анализа вертикальной дифференциальной проводимости судят о насыщенности водой изучаемых зон, а по продольной дифференциальной проводимости - о наличие водных подземных потоков и условиях их подпитки смежными водоносными горизонтами.
Недостатки способа-прототипа заключаются в следующем. Выделение водонасыщенных коллекторов на основе особенностей видеотона и инфракрасного излучения (температуры) неоднозначно. Эти особенности могут быть обусловлены литологией, ландшафтом и другими геологическими факторами не связанными с подземными водами. Кроме того, наземные заверочные работы методами ВЭЗ и ВЭЗ МДС используют лишь один геофизический параметр - сопротивление и его производные. Однако природа изменения сопротивления многообразна, что не всегда обусловлено водонасыщением. На сопротивление оказывают сильное влияние литологический состав пород, различные процессы метаморфизма, метасоматоза, локализации оруденения. Например, по данным ВЭЗ и ВЭЗ МДС невозможно достоверно отличить водоносную зону от глин, аргиллитов, углеродсодержащих пород или рудоносной зоны.
Задача настоящего изобретения - повышение достоверности прогноза подземных вод при одновременном снижении трудоемкости работ.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе поиска подземных вод, включающем предварительные (дистанционные) исследования земной поверхности с выделением потенциально водоносных структур (коллекторов), проведение на выделенных участках наземных электроразведочных работ, согласно изобретению указанные предварительные исследования земной поверхности осуществляют путем проведения аэрогеофизических работ как минимум двумя методами, электромагнитной разведки и магниторазведки, по данным которых выделяют зоны пониженных значений сопротивлений и зоны пониженных значений магнитного поля. В выделенных зонах проводят наземные электроразведочные работы, по результатам которым локализуют аномалии электрического сопротивления, электрической поляризуемости и естественного электрического поля. Водонасыщенные зоны определяют по совмещению минимумов аномалий электрического сопротивления и электрической поляризуемости с аномалиями повышенного естественного электрического поля.
При этом аэрогеофизическую съемку осуществляют с использованием комплексной аэрогеофизической системы, одновременно измеряющей как минимум два параметра: магнитное поле и электрическое сопротивление методом становления электромагнитного поля с высокой грунтопроникающей способностью, обеспечивающую глубинность исследований в интервале глубин от 10 м до 500 м, в диапазоне частот от 1 мГц до 67 Гц.
Преимущественно наземные электроразведочные работы выполняют методами вызванной поляризации (ВП) в модификациях симметричного электропрофилирования (ВП СЭП) и естественного электрического поля (ЕП), в пределах водоносной структуры, выделенной по данным ВП СЭП и ЕП, выполняют исследования методом электротомографии (ВП ЭТ).
Способ согласно изобретению основан на выделении по результатам комплексной аэрогеофизической съемки методами электроразведки ЗСБ и магниторазведки совмещенных аномалий пониженного сопротивления и низкоамплитудных минимумов магнитного поля, по которым определяют участки обводненных пород. Природа понижения сопротивления связывается с зонами трещиноватости и обводнения. Понижение интенсивности магнитного поля обусловлено разложением (окислением) магнитных минералов (магнетита, пирротина) под действием водных потоков, работающих в проницаемых зонах. Пространственное совпадение минимумов электрического и магнитного полей более достоверно указывает на наличие водоносных структур. На участках выделенных водоносных структур выполняют детализационные наземные геофизические работы методами вызванной поляризации в модификации симметричного электропрофилирования (ВП СЭП) и естественного электрического поля (ЕП). По результатам наземных исследований выделяют участки, где совмещены минимумы сопротивлений ВП СЭП с аномалиями ЕП фильтрационной природы при отсутствии аномалий ВП. Низкие сопротивления контролируют зоны трещиноватости и обводнения, аномалии ЕП подтверждают фильтрационную динамику подземных вод, а «фоновые» показатели ВП свидетельствуют о возможности присутствия свободной воды. В совокупности все эти аномалии соответствуют гидрогеологической структуре. В пределах предполагаемой водоносной структуры выполняют геофизические работы методом вызванной поляризации в модификации электротомографии (ВП ЭТ), по результатам которых детализируют строение водонасыщенного коллектора, определяют его элементы залегания и устанавливают места заложения водозаборных скважин.
2
На фиг. 1 показаны геофизические данные, полученные по данным комплексной аэрогеофизической съемки (аэромагнитной съемки и аэроэлектроразведки методом становления поля) масштаба 1:25000 на площади 400 км.
На фиг. 2 демонстрируется строение в разрезе водоносной структуры по линии АБ (фиг. 1) на перспективном участке 4.
На фиг. 3 приведено распределение электрических полей и естественного электропотенциала фильтрационной природы по данным наземных геофизических работ масштаба 1:10000 на перспективном участке 4, показанном на фиг. 1.
На фиг. 4 показаны результаты оценки водообильности гидрогеологических структур по данным наземных геофизических работ на перспективном участке 4.
На фиг. 5 демонстрируется эффективность работ методом ВП ЭТ при изучении водоносного коллектора на участке 4 (разрез по линии 21).
Способ согласно изобретению осуществляется следующим образом.
На исследуемой территории выполняют комплексную аэрогеофизическую, преимущественно вертолетную съемку, включающую измерение естественного магнитного поля и электрического продольного сопротивления, преимущественно с использованием метода становления поля во временной области (МПП, ЗСБ).
Аэромагнитную съемку выполняют с использованием квантового аэромагнитометра, размещенного в установленной под вертолетом гондоле в 25 метрах от его борта, в соответствии с требованиями действующей инструкции по магниторазведке. Для увязки рядовой сети проходятся опорные маршруты. Расстояние между маршрутами опорной сети обычно в десять раз больше расстояния между рядовыми маршрутами. Среднеквадратическая погрешность аэромагнитных данных должна быть не более ±2 нТл для полей с горизонтальными градиентами до 50 нТл/км. Для учета вариаций геомагнитного поля в течение всего полетного времени выполняют регистрацию вариаций магнитного поля магнитометром POS-1. Интервал регистрации - 1,0 с, точность - 0,01 нТл.
Для проведения аэроэлектроразведочных работ методом становления поля может быть использован, например, вертолетный комплекс типа «Импульс-А5». Электромагнитная система комплекса смонтирована на подвесной платформе под фюзеляжем вертолета. На платформе монтируются излучающая импульсное ЭМ-поле система и антенны для измерения скорости изменения вторичного магнитного поля токов, циркулирующих в исследуемой среде после коммутации излучателя и бортовой регистрирующей аппаратуры.
Методика аэроэлектроразведочных работ включает регистрацию электромагнитного сигнала непосредственно на участке съемки, а также регистрацию сигнала на высоте более 500 м при подлете к участку и сразу после завершения съемки на участке (запись фона). Далее фоновые записи используют при обработке для вычитания собственного процесса системы.
При съемке используется электромагнитный канал становлением поля во временной области с высокой грунтопроникающей способностью (200-500 м). Частотный диапазон (1 мГц - 67 Гц) регистрируемых сигналов позволяет изучать геоэлектрический разрез в интервале глубин от первых десятков метров до 500 метров. Полеты производятся с обтеканием основных форм рельефа местности по сети параллельных маршрутов масштаба 1:10000 - 1-25000 (межмаршрутные расстояния 100-250 м). Для увязки рядовой сети проходятся опорные маршруты.
На участках комплексной аэрогеофизической съемки для определения относительной погрешности каналов электроразведки и магниторазведки проводится съемка контрольных маршрутов в количестве 3% от объема рядовой сети, которые распределяются равномерно по участку работ в спокойном поле и совпадают с рядовыми маршрутами. По полученным двойным равноточным наблюдениям рассчитывается погрешность измеренных параметров. Навигационное обеспечение съемочных полетов осуществляется ГЛОНАСС/GPS приемниками. Кроме того, выполняют учет вариаций геомагнитного поля в течение всего полетного времени путем регистрации вариаций магнитного поля магнитометром POS-1. Интервал регистрации - 1,0 с, точность - 0,01 нТл.
По результатам комплексных аэрогеофизических работ осуществляют литологическое расчленение разреза в формате 1D, реконструкцию верхней части разреза на осложненных участках в формате 3D. На основе проведенных математических реконструкций и комплекса поисковых признаков выделяют геоэлектрические неоднородности пониженного сопротивления, связанные с потенциально водоносными коллекторами с оценкой их элементов залегания. Составляют структурно-тектонический каркас территории поиска, оконтуривают зоны трещиноватости и выявляют участки, содержащие совмещенные минимальные значения сопротивлений и минимальные значения магнитного поля, которые могут быть отнесены к водоносным структурам, и выделяют для постановки детальных наземных геофизических работ.
Далее в пределах выделенных по аэрогеофизическим данным перспективных участков проводят наземные геофизические работы методами вызванной поляризации (ВП) в модификациях симметричного профилирования (ВП СЭП), естественного электрического поля (ЕП) и далее способом электротомографии (ВП ЭТ).
Вначале осуществляют площадные электроразведочные работы в масштабе 1:10000 методами ВП СЭП и ЕП для детализации водоносных структур и их оценки. По данным ВП СЭП выделяют зоны, которые характеризуются аномалиями пониженного сопротивления и низкой поляризуемости, что является признаком наличия водосодержащих пород. Низкие сопротивления обусловлены трещинноватостью и обводненностью, а низкая поляризуемость пород свидетельствует о хорошей промытости проницаемых зон. Аномалии повышенной поляризуемости относят к участкам водоупорных образований (глины, многолетнемерзлые породы).
По данным измерений методом ЕП водоносные зоны выделяют по аномалиям естественного электропотенциала фильтрационной природы. В общем случае зоны восходящих вод (разгрузки) контролируются ЕП интенсивностью до нескольких десятков мВ, а участки нисходящих вод (инфильтрации) сопровождаются минимумами ЕП с амплитудой до нескольких десятков мВ.
Дебит (водообильность) выявленных структур оценивают на основе характерных для исследуемой территории эмпирических зависимостей между геофизическими и гидрогеологическими параметрами. В самом простом случае между сопротивлением (ρ) и дебитом (Q) существует тесная статистическая связь, выраженная полиномом 1-й степени.
Использование при выделении водоносных зон совокупности четырех параметров (величина магнитного поля, сопротивления, поляризуемости и естественного электропотенциала) резко повышает достоверность прогноза.
Далее в пределах водоносной структуры, выделенной по данным ВП СЭП и ЕП, выполняют исследования методом электротомографии (ВП ЭТ) для детализации водосодержащего коллектора, установления его внутреннего строения и элементов залегания водоносной структуры и определения соответствующих мест бурения гидрогеологических скважин.
Метод электротомографии (ВП ЭТ) является в настоящее время наиболее совершенной технологией метода ВП, в которой удачно сочетаются лучшие качества методов электроразведки (профилирования и зондирования). Суть метода заключается в попеременном использовании в качестве приемных и питающих линий одних и тех же заземлений, закрепленных на профиле. Это позволяет получить очень высокую плотность наблюдений в нижнем полупространстве (разрезе) при низком уровне различных помех.
По данным ВП ЭТ на основе распределения двух параметров (сопротивление и поляризуемость) определяют пространственное положение водоносной зоны, ее внутреннее строение, оценивают водообильность и другие гидрогеологические характеристики и определяют оптимальное расположение эксплуатационных скважин.
Пример, иллюстрирующий реализацию способа согласно изобретению, приведен ниже.
Работы проводились на Юрубченском лицензионном участке (400 кв. км), который характеризуется чрезвычайно сложным строением с широким распространением многолетнемерзлых пород и подземных вод с крайне невыдержанной минерализацией.
На исследуемой площади проведены аэроэлектроразведочные работы, как это описано выше. Работы проведены с использованием комплекса «Импульс-А5». Основные технические характеристики комплекса приведены в нижеследующей таблице.
Результаты аэроэлектроразведочных работ представлены на фиг.1, где показаны распределение локального магнитного поля и распределение сопротивлений на глубинах 15 м, 110 м, 220 м. Использованы следующие обозначения: 1 - водоносные скважины, 2 - безводные скважины, 3 - АБ линия геолого-геофизического разреза, 4 - один из перспективных участков, выделенных по аэрогеофизическим данным, 5 - обводненные трещиноватые зоны по магниторазведочным данным, 6 - локальный водоконтролирующий комплекс (ЛВК), выделенный по данным аэроэлектроразведки, 7 - региональный водоконтролирующий комплекс (РВК), выделенный по данным аэроэлектроразведки.
По аэромагниторазведочным данным (фиг. 1) водоносные породы контролируются линейными, отрицательными магнитными аномалиями 5 низкой интенсивности (-5-(-20) нТл), связанными с полным разложением магнитных минералов.
По результатам проведенных аэроэлектроразведочных работ методом ЗСБ на исследуемой площади выделены аномалии пониженных сопротивлений двух типов - интенсивностью 10-30 Ом*м и 1-30 Ом*м.
Аномалии низких сопротивлений (10-30 Ом*м), выявленные в верхней части связаны с локальным водоконтролирующим комплексом (ЛВК), фиг. 1, поз. 6. Эти аномалии обусловлены трещиноватостью и обводненностью, приуроченной большей частью к долинам крупных водотоков. Аномалии с сопротивлением 1-30 Ом*м, локализованные на глубине около 100 м, формируют региональный водоконтролирующий комплекс (РВК) толщиной 100 м (фиг. 1, поз. 7). Природа его связывается с аргиллитами, трещиноватостью и обводненностью. Зоны пространственного совмещения РВК, ЛВК и магнитных минимумов маркируют области обводненных пород - перспективные участки, один из которых приведен на фиг. 1, поз. 4.
Скважины, пробуренные при реализации способа, подтвердили эти выводы. Скважины (фиг. 1, поз. 1) с высокими дебитами расположены в зонах низких сопротивлений и пониженной интенсивности магнитного поля. Сухие скважины (поз. 2, фиг. 1), пробуренные до выполнения геофизических работ, согласно способу, находятся в пределах аномалий высоких сопротивлений, обусловленных многолетнемерзлыми породами, и участках слабоположительного поля, что косвенно указывает на отсутствие трещиноватости.
Как видно по линии разреза АБ (фиг. 2), на перспективном участке 4 (фиг. 1), выделенном по аэросъемке, водоносная структура (фиг. 2, поз. 10) контролируется совмещенными аномалиями низких сопротивлений (фиг. 2, поз. 6, поз. 7) и зоной слабо отрицательного магнитного поля (фиг. 2, поз. 5). Последнее характеризует отсутствие магнитных минералов. Аномалия низких сопротивлений сформирована сопряженными минимумами. Один из них, локализованный в верхней части разреза (локальный водоконтролирующий комплекс), имеет сопротивление 10-30 Ом*м (поз. 6, фиг. 2). Другой минимум, приуроченный к средней части разреза (региональный водоконтролирующий комплекс, фиг. 2, поз.7), характеризуется более низкими сопротивлениями - 1-10 Ом*м. Перекрывающие водоупорные многолетнемерзлые отложения (ММП) имеют сопротивления 150-500 и более Ом*м, а подстилающие монолитные коренные образования - 50-200 Ом*м.
На перспективном участке 4, выделенном по аэрогеофизическим данным, выполнены наземные геофизические работы в масштабе 1:10000 методами ВП СЭП, ЕП и ВП ЭТ.
Результаты наземных электроразведочных работ на перспективном участке 4 демонстрируются на фиг. 3-5.
По данным метода ВП в модификации симметричного электропрофилирования (ВП СЭП) с измерением фазы сдвига на юго-востоке и западе участка оконтурены аномалии низких сопротивлений (менее 400 Ом*м), которые отвечают зонам трещиноватости и обводнения (фиг. 3, поз. 6). По поляризуемости здесь зафиксированы минимальные величины (фаза сдвига более 0,2°, светлые тона), свидетельствующие о хорошей промытости проницаемых зон (отсутствие глин). Объекты с высокой поляризуемостью (фаза сдвига менее -0,2°, темные тона) контролируют водоупорные образования (глины, многолетне-мерзлые породы). По данным измерений методом ЕП на юго-востоке выделена отрицательная аномалия (поз. 1, фиг. 3), сопровождающая зону инфильтрации подземных вод. В западной части участка закартирован положительный максимум электропотенциала, контролирующий зону разгрузки водного потока (поз. 12, фиг. 3). Обе аномалии ЕП совмещены с низкоомными аномалиями сопротивления (поз. 11, фиг. 3), что однозначно указывает на присутствие трещиноватых и обводненных пород.
В результате статистической обработки данных методом главных компонент (МГК) и К-средних осуществлено объективное выделение гидрогеологических структур. По данным обработки МГК выделена первая главная компонента (фиг. 3, поз. 14), представленная сочетанием минимума сопротивлений и максимума ЕП, соответствущая гидрогеологической структуре с разгружающимся типом водного потока. Вторая главная компонента, представленная совмещенными минимумами сопротивлений и электропотенциала, контролирует структуру с инфильтрационным типом потока (фиг. 3, поз. 15). По результатам обработки способом К-средних выделены два «водных» класса, с нисходящим водным потоком и восходящим водным потоком (поз. 13, фиг. 3), которые более детально характеризуют упомянутые гидрогеологические структуры. Водоносный коллектор с восходящим потоком характеризуется низкими сопротивлениями и повышенным полем ЕП при «фоновой» поляризуемости (фиг. 3. поз. 13б). Коллектор с нисходящим потоком характеризуется низкими сопротивлениями и пониженными величинами ЕП (фиг. 3, поз. 13а).
При реализации способа, согласно изобретению, наземными электроразведочными работами на перспективном участке 4, выделенном по результатам аэрогеофизических работ, установлены три водоносные структуры, показанные на фиг. 4, поз. 16, которые представляют собой зоны совмещения минимумов сопротивлений (фиг. 3, поз. 6) с аномалиями ЕП (фиг. 3, поз. 11 и 12) при поляризуемости (сдвиге фаз), близкой к нулю. В статистических показателях по данным МГК - это аномалии 1-й и 2-й главных компонент (фиг. 3, поз. 14 и 15), а также «водные классы» 13.
Далее на участке 4 были проведены электроразведочные работы методом ВП ЭТ. По полученным данным осуществлена детализация выявленного водоносного коллектора. Установлено его внутреннее строение и даны рекомендации по оптимальному заложению эксплуатационных скважин (фиг. 5).
Как видно по результатам ВП ЭТ на профиле 21 (фиг. 4), водоносная структура поз. 10 (фиг. 2, фиг. 5) контролируется сопряженными аномалиями низких сопротивлений. В верхней части разреза подтверждена и детализирована аномалия 6 с сопротивлением 50-100 Ом*м, соответствующая зоне трещиноватости и обводнения (локальный водоконтролирующий комплекс). В нижней части разреза подтверждена и детализирована аномалия с 7 с сопротивлением 3-30 Ом*м, обусловленная аргиллитами и трещиноватостью (региональный водоконтролирующий комплекс). По данным ЕП в контуре водоносной структуры выделен нисходящий водный поток поз. 29 (минимум электропотенциала до -40 мВ). В пределах водосодержащего коллектора зон кольматации (глинизации), судя по минимальной поляризуемости, не установлено. Исключение составляет крайняя восточная часть структуры, где зафиксирована аномалия ВП интенсивностью 1-3% при минимальных сопротивлениях, природа которой связана с глинизацией (поз. 28). Многолетнемерзлые породы (поз. 27), относимые к водоупорам, характеризуются аномально высоким сопротивлением (более 1000 Ом*м) и повышенной поляризуемостью (0,3-0,7%). Они формируют верхнюю и среднюю часть разреза.
Пробуренная по геофизическим данным в центральной части водоносной структуры 16 скважина 1 (фиг. 4) полностью подтвердила геофизические выводы как в части геометризации водосодержащего коллектора, так и оценки дебита
3
Скважина 1, пройденная согласно геофизическим рекомендациям после выполнения аэро- и наземных геофизических работ, в центральной части водоносной структуры (фиг. 2, поз. 10) вскрыла четыре горизонта водопритоков (фиг. 2, поз. 8) с общим дебитом 384 м/сут.
Аналогичные результаты проверочного бурения получены и на других перспективных участках.
Между сопротивлением по данным ВП СЭП и дебитами скважин, пробуренным по геофизическим рекомендациям в пределах водоносных структур, установлена статистическая связь с коэффициентом парной корреляции, равным - 0,9.
Для рассматриваемой территории эта связь выражается полиномом 1 - степени следующего вида:
Q=-1,002 ρ+595,
3
где Q - дебит проверочных скважин в м/сут,
ρ - сопротивление водоносной зоны в пункте бурения в Ом*м.
3
На основе этой связи оценены запасы подземных вод гидрогеологических структур, показанных на фиг. 4 - фиг. 5, поз. 16. Расчетные дебиты достигают 650 м/сут и более.
3
К настоящему времени выполнены рекомендации по пяти скважинам глубиной по 250 м. Согласно данным бурения геофизический прогноз полностью подтвержден не только в части наличия водосодержащих структур, но и в их гидрогеологической оценке. Все скважины вскрыли водоносные горизонты с высоким дебитом - 158-533 м/сут. Помимо этого, было выполнено бурение трех параметрических скважин, заданных в пределах заведомо безводных блоков ММП глубиной 50-250 м. Эти скважины согласно геофизическим данным оказались сухими.