Об электропроводности многолетнемерзлых горных пород

В.Н. Захаренко, Ю.К. Краковецкий, В.П. Парначев, Л.Н. Попов ОБ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

При составлении прогнозной карты геоэлектрических разрезов масштаба 1:2 500 000 было установлено и экспериментально доказано, что горизонты с низким электрическим сопротивлением (30-200 Ом-м) являются не аномальными участками, а имеют широкое площадное распространение в зоне криолитогенеза. Это позволило использовать радиоэлектромагнитные методы в удаленных и слабоизученных районах, в частности на п-ве Челюскин, с целью определения мощности рыхлых отложений. Вариации напряженности радиополя в средних широтах объясняются температурной зависимостью электропроводности древесины, что требует введения при геофизических исследованиях в зимний период температурных поправок к измеренным значениям напряженности радиополя.

Ключевые слова: электропроводность; многолетняя мерзлота; криопэги; электроразведка; вариации электромагнитного поля.

В связи с тем что для территории СССР отсутствовала информация об электрических свойствах горных пород (единственным картографическим источником об этих свойствах являлась Карта электрического районирования мира масштаба 1: 10 000 000 североамериканского исследователя Моргана), в 1986 г. под общим руководством Г.И. Макарова и главного конструктора проекта А.А. Штейнберга (ОКТБ «Радиофизика» при Ленинградском госуниверсите) составлена прогнозная карта геоэлектрических разрезов СССР масштаба 1:2 500 000 [1-3].

Непосредственно в создании прогнозной карты геоэлектрических разрезов (ГЭР) на территории Сибири, Таймыра и ряда других регионов принимали участие и авторы - сотрудники Томского государственного университета.

Следует отметить, что изучение электропроводности горных пород необходимо многим ведомствам Российской Федерации для решения своих специфических задач: Министерству природных ресурсов -для поисков месторождений полезных ископаемых, Министерству связи и массовых коммуникаций - для выявления мест расположения новых радиопередающих центров, Министерству энергетики и Министерству экономического развития - для выбора оптимального варианта прокладки трасс нефтегазопроводов и линий электропередач, Министерству обороны - для решения задач раннего и дальнего обнаружения целей и организации связей с рядом спец-объектов и т.д.

Принимая во внимание, что электропроводность подстилающей для электромагнитных волн поверхности подвержена сезонным изменениям, параллельно нами решались задачи по изучению вариаций электрических свойств горных пород и древесной растительности во времени.

Для этого были организованы стационарные наблюдения за электропроводностью пород методами вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) и радиоэлектромагнитного зондирования (РЭМЗ), древесины - методом симметричного электропрофилирования (СЭП) и напряженностью радиополя в диапазоне частот 100-1000 кГц. Одновременно проводились измерения температуры воздуха и почвы.

Заверочные работы методами ВЭЗ, РЭМЗ проведены на п-ве Челюскин (1986, 1988 гг.), в районе г. Гурь-евск Кемеровской области (1989 г.), в г. Норильске (1990 г.), по трассам Норильск - Хатанга (1988 г.) и Свердловск - Камышлов (1989 г.).

При этом основное внимание уделялось интегральному методу радиокомпарирования трасс, позволяющему за короткое время исследовать значительные территории (табл. 1). Данный метод выполнялся тремя модификациями: автомобильной (юг Западной Сибири), авиационно-десантной (Таймырский полуостров) и, благодаря разработкам А. А. Штейнберга, авиационной. Последняя позволяла вести непрерывную регистрацию напряженности радиополя в полете (юг и север Западной Сибири, Восточная Сибирь и Северо-Восток РФ). Измерения напряженности земной волны проводились от 16 излучателей СВ-ДВ диапазона (1601000 кГц). Перед началом измерений в дальней зоне для каждой радиоантенны определялись диаграммы направленности излучателя и значения Ео х Яо в ближней зоне (где Ео - напряженность радиополя в точке наблюдения, Яо - измеренное расстояние от излучателя до точки наблюдения) [4]. В процессе измерений рассчитывались абсолютные значения напряженности радиополя, для чего к измеренным величинам прибавлялись поправочные коэффициенты. Протяженность отдельных трасс составляет от 100 до 1 130 км; суммарная протяженность 36 трасс радиокомпарирования превышает 15 000 км. Количество регистрируемых частот на одной трассе изменялось от 1 до 5 в зависимости от местоположения трассы, что позволило получить в общей сложности 94 кривых изменения модуля функции ослабления от расстояния. Для определения точности работ дополнительно проводились контрольные измерения по 16 трассам, что составило 44% контроля. Погрешность измерений находилась в пределах от 5 до 15% [5, 6].

Для изучения сезонных изменений модуля функции ослабления работы методом радиокомпарирования на одной и той же трассе выполнялись дважды - в летний и зимний периоды. Такие наблюдения выполнены на трассе Новосибирск - Тегульдет, характеризующейся наличием лесной растительности и сезонномерзлого слоя, и на трассе Норильск - Тазовский в зоне развития многолетнемерзлых горных пород, где растительный покров почти отсутствует и имеется сезонноталый слой.

Вариации напряженности радиополя изучались от радиостанций Новосибирского радиопередающего центра (РПЦ) - 171, 270, 576 и 675 кГц, Красноярского РПЦ (218 кГц), Горно-Алтайского РПЦ (281 кГц), Норильского РПЦ (162 и 612 кГц) и на некоторых других частотах. Для изучения вариаций модуля функции ослабления радиоволн параллельно с измерениями в дальней зоне (г. Томск) проводились наблюдения за

напряженностью радиополя в ближней зоне радиостанций 171, 576 и 675 кГц. Синхронно с амплитудой радиополя измерялись температуры воздуха и почвы, а также электропроводность верхней части геоэлектри-ческого разреза методами ВЭЗ и РЭМЗ [13]. В период с

апреля 1989 г. по июнь 1990 г. при помощи стационарной установки симметричного электропрофилирования проводились измерения вариаций электропроводности древесины в температурном интервале от - 27 до + 27 градусов по Цельсию [12, 13].

Т а б л и ц а 1

Перечень трасс, исследованных методом радиокомпарирования в период с 1986 по 1990 г.

Радиопередающий центр Трасса Протяженность трассы, км Частоты, кГ ц

Новосибирск - Красноярск 640

Новосибирск - Колпашево 320

Новосибирск - Омск 660 171, 272 (270), 576, 289

Новосибирск - Горно-Алтайск 425

Новосибирск Новосибирск - Барнаул - Алма-Ата 640

Новосибирск - Таштагол 400

Новосибирск - Камень-на-Оби - Павлодар 560

Новосибирск - Барнаул - Павлодар 560

Новосибирск - Тегульдет 500

Омск - Павлодар 440

Омск Омск - Челябинск - Свердловск 790 639

Омск - Тюмень - Свердловск 790

Омск - Новосибирск 660

Свердловск - Челябинск - Омск 790

Свердловск - Караганда 1130

Свердловск Свердловск - Камышлов 100 281

Свердловск - Кокчетав 790

Свердловск - Тюмень - Тобольск - Демьянское 610

Норильск - Диксон 395 162, 612

Норильск Норильск - Тазовский, 400

Норильск - Хатанга 630

Сургут - Надым 480

Сургут Сургут - Игрим 480 225,

Сургут - Тарко-Сале 250 594

Сургут - Юильск 400

Красноярск Красноярск - Новосибирск 640 216

Красноярск - Канск - Братск 640

Братск Братск - Красноярск 640 699

Братск - Киренск 420

Якутск - Витим 804

Якутск - Средне-Вилюйск 395 171, 549

Якутск Якутск - Хандыга 365

Якутск - Жиганск 560

Якутск - Усть-Мая - Охотск 552

Магадан - Охотск 520

Магадан Магадан - Омсукчан 410 234

Магадан - Сеймчан 370

Анадырь Анадырь - Марково 225 693

Полученный материал использовался для уточнения ранее составленной прогнозной карты ГЭР масштаба 1:2 500 000 для территории Западной Сибири и Таймырского полуострова на глубину скин-слоя частоты 10 кГц. В ходе составления и уточнения данной карты выявлено и экспериментально доказано широкое распространение в зоне развития многолетнемерзлых горных пород низкоомных образований, в результате чего подстилающая поверхность для определенных частот в таких местах приобретает не емкостную, а индуктивную электропроводность [14, 15]. Наличие низкоомного слоя позволило использовать метод РЭМЗ (РЭМП) (по другой классификации -метод СДВР) в высоких широтах для определения мощности рыхлых отложений при поисках россыпных месторождений полезных ископаемых (рис.1) [16].

Накопленный экспериментальный материал вариаций напряженности радиополя и вариаций электропро-

водности древесины (как лиственной, так и хвойной) лег в основу решения задачи так называемой зимней аномалии распространения средневолновых радиоволн в средних широтах.

Более ранними исследованиями установлена сезонная зависимость дневных значений напряженности поля СВ радиостанций [17]. В то же время нередко отмечались случаи, когда в зимнее время напряженность радиополя характеризовалась «летними» значениями, что не имело на тот момент времени своего обоснования. Такое поведение напряженности радиополя объясняется температурной зависимостью электропроводности древесины [14, 18-21], что требует введения при проведении геофизических исследований в зимний период температурных поправок к измеренным значениям напряженности радиополя.

Следует отметить, что при изучении условий распространения радиоволн в европейской части РФ и на

юге Западной Сибири успешно использовались данные локальных параметров электромагнитных свойств

Считалось, что электропроводность мерзлых рыхлых пород на порядки отличается от талых, достигая значений 10-7 см/м (табл. 2). Авторы работ [7-11] не учитывали влияния минерализации на электропроводность рыхлых отложений. В то же время засоленные мерзлые рыхлые отложения широко распространены вдоль всего Арктического побережья. Только на севере Западной Сибири они занимают площадь около

1 млн км2. Минерализация охватывает криогенную толщу на всю ее мощность до 300 и более метров, имея различное геологическое происхождение. Засоленные мерзлые отложения, отличаясь повышенным содержанием воды, представляют собой сложную криогенную систему криолитозоны, занимая промежуточное положение между мерзлыми и немерзлыми породами.

В качестве примера можно привести данные исследований, выполненных по буровому профилю Л-210, расположенному на Арктическом побережье п-ва Челюскин, в среднем течении р. Кунар, где в 1986 г. были проведены работы с использованием следующих геофизических методов: ВЭЗ с АВ/2 до 500 м, двухразносного симметричного ЭП с АВ/2 11 и 100 м, двухчастотного электромагнитного профилирования на частотах 16,4 и 19,0 кГц, магниторазведки.

Удельное электрическое сопротивление (УЭС) первого слоя, отвечающее зоне сезонной оттайки, изменяется в пределах 15-50 ^ 100-300 Омм (рис. 1, В). Мощность этого слоя на каждой точке измерения определялась металлическим щупом и варьирует от 10 до 70 см.

Второй слой (горизонт) характеризуется не только повышенным УЭС, но и большей вариацией электрического сопротивления по разрезу (11 000 ^

89 000 Ом-м, с единичными «отскоками» до 120 000 Ом-м). В геологическом отношении этому слою отвечают мерзлые морские четвертичные отложения, прослеживающиеся по всему профилю. Изменчивость УЭС объясняется различной льдистостью этих образований, а максимальные значения отвечают прослоям льда, наблюдающегося в разрезе. Мощность слоя меняется от 2 до 5 м.

Наибольший интерес представляет третий слой, характеризующийся пониженным сопротивлением 30-200 Ом-м. Согласно геологическим данным этот слой отвечает мерзлым прибрежно-морским верхнеюрским отложениям. Пониженное сопротивление

этих пород объясняется наличием повышенного содержания солей, а изменение УЭС по разрезу - различными концентрациями соли в отложениях. Мощность верхнеюрских рыхлых образований составляет по данным бурения от 5 до 50 м и от 5 до 65 м по данным интерпретации ВЭЗ.

С начала постановки электроразведочных работ в районах развития многолетней мерзлоты установлены отдельные аномальные зоны электропроводности, в которых УЭС горных пород составляет всего 10200 Ом-м (для сравнения отметим, что такое сопротивление отвечает самым низкоомным породам - глинам в талом состоянии). В частности, в 1985 г. геофизик Полярной ГРЭ О.Ф. Тараторкин, выполняя работы методом ВЭЗ на профиле Л-210, обратил внимание на немерзлотный («материковый») тип полученных кривых ВЭЗ.

Электрическая граница между третьим и четвертым слоями менее четкая, чем у двух вышележащих границ, но, тем не менее, она хорошо проявляется на кривых ВЭЗ. УЭС нижнего слоя составляет 250-600 Ом-м. С геологической позиции он отвечает мерзлым коренным доюрским породам (известняки, сланцы, вулканиты).

Несмотря на то что по электрическим свойствам коренные горные породы хорошо дифференцированы (по данным ВЭЗ, поставленным в местах выхода таких образований на дневную поверхность) достоверно установить их местоположение на разрезе не представляется возможным. По-видимому, это связано с переслаиванием карбонатно-сланцевой толщи, из-за чего электрический ток, протекая по породе, показывает среднее сопротивление этой толщи.

Наличие низкоомного горизонта позволило (скин -слой 65 м вместо ожидаемых при высоком сопротивлении 500 м) впервые использовать в этом регионе метод РЭМП на частотах 16,4 кГц (радиостанция расположена в Норвегии, позывные YXZ, координаты излучателя 52° 25' с.ш. и 13° 12' в.д.) и 19,0 кГц (радиостанция принадлежит Англии, позывные GOD, координаты излучателя 52° 22' с.ш. и 01° 11' в.д.), имеющих примерно один пеленг.

Следует отметить отсутствие в районе работ сигналов от радиостанций 66 кГц (сеть советских маломощных навигационных излучателей) и радиостанции 15,1 кГц (французская радиостанция мощностью 500 кВт), хотя геофизики ЦАГРЭ ПГО «Северморгео-логия» проводили работы на Северной Земле со станцией «Скат» именно на этой частоте.

Работы по профилю Л-210 показали, что пониженные участки погребенного рельефа характеризуются пониженными (по абсолютной величине) значениями фазы приведенного поверхностного импеданса (ф) (рис. 1, А). В тех местах, где коренные породы практически выходят на дневную поверхность, фаза импеданса имеет значения, близкие к 45°, что отвечает однородному разрезу. В то же время модуль приведенного поверхностного импеданса (рэф) в таких местах имеет пилообразный характер и может принимать повышенные значения (зона развития кварцевых жил).

00

и\

Горная порода | Электропроводность, см/м

Талая Талая Мерзлая Талая Мерзлая Талая Мерзлая Талая Мерзлая Талая Мерзлая

Литературный источник —* 7 8 8 9 9 10 10 11 11 Среднее

Глина о о О о о Г о о Г о 1-ю-2 о о

Суглинок о о 3 10"-10" 5  10 2— 10 2 5  10-2—10-2 10 3-10^

Супесь о о зю"-ю" 10~2-ЗЮ~3 2-10"-5-10~5 10~2-ЗЮ~3 2-10"-5-10~5

Песок 1(Г2- 4-10" 1 10 5 о о 310 3-10 5 3 10^-10^ 2-10~2-5-10~5 О о 2-10~2-5-10~5 о о

Гравий 1-Ю-5 о о 3 -ю^-ю-6 5-Ю-2—3-Ю-4 о о 5 10~2-10~5 о о

Алевролит 1-Ю"1 5(10 2-10^3) 2  10 3 6  10^ 5-Ю 2-510^ 210~3-610"

Глинистый сланец (1-2)-10~5 10 2- 5 -103 6-10" 2( 10-2—10_3) 7-Ю-3 10~3 10 2-2-103 10 3-6-10"

Песчаник 2(ю~3-ю") 5-Ю-3—2-Ю-3 (2-3)-1 о" ЗЮ~2-10~3 2.5-10~3 2.5-10" 3-10~2-2-10" (2-3)-10"

Карбонаты О і О О о О О 10 3 5  10^ О О о о

Гипербазиты ю~3-іо" т о о о о 5(10"-10~б) 2-10 3 10 3 3  10^ 10"-10^ о О

Базальт 10~2-10" о о О о 2  10 3 5  10 3 2-10~2-10^ 2  10_3—5  10_3

Андезит 2-10 3-10 5 о о о о 2-10 3-10 3 2(10~3-10~5) О о

Липарит О о 10~3 о о 2-10~3-10" О О і о о

Г ранит ю~3-іо" 5-Ю" о г о і 10~3 5-10"-2-10" о г о і 5  10"—2  10"

Диабаз 2(10~6-10~7) о о о о 2.5-10" 2(10~6-10~7) 2,5-10"

Кристаллический сланец 2(10~3-10~6) о о о о 2(10~3-10~6) О о

н

р

о\

ь

к

в

р

ю

Электропроводность мёрзлых и талых горных пород

Рис. 1. Зона пониженного электрического сопротивления в многолетнемерзлой толще

Работы, проведенные на участках «Кунар», «Междуречье», «Серебрянка», «Анжелико», «Путевой», «Тессе-ма», «Летний» на п-ве Челюскин показали повсеместное наличие низкоомного горизонта, связанного с минерализацией многолетнемерзлых горных пород. Благодаря тому редкому обстоятельству, что летние сезоны 1985 и

1986 гг. были необычайно сухими и тундра очень сильно высохла, на полуострове проявились «запрещенные» для тундры геоморфологические образования - солончаки и такыры. Солончаки и такыры представляют собой плоские участки тундры совершенно лишенные растительности и сложенные преимущественно светлыми глинами,

разбитыми глубокими трещинами усыхания на отдельные многоугольные плитки. Горьковато-соленая и слегка «мыльная» на вкус соль выступала на поверхности глин пятнами и почти сплошной корочкой толщиной до 1-

2 мм. УЭС, по данным ВЭЗ, верхнего шестиметрового мерзлого слоя такыра имеет значение всего 15 Ом-м.

Таким образом, выявленное нами ранее [5, 14-16] широкое распространение зон с пониженным электрическим сопротивлением среди многолетнемерзлых пород можно считать установленным фактом, что подтверждают и другие исследователи криолитозоны [2225 и др.].

ЛИТЕРАТУРА

1. Пылаев А.А. Состояние и проблемы разработки карт геоэлектрических свойств подстилающей поверхности в интересах оценки распростра-

нения земной волны // Тезисы докладов Х1У Межведомственного семинара по распространению километровых и более длинных волн. Горький, 1989. С. 8-14.

2. Техническая документация к аппаратуре ИПИ-1000. Описание методики и техники работ методами РЭМП и РЭМЗ. Л. : НИИЗК ЛГУ, 1989.

20 с.

3. ШтейнбергА.А. Метод компарирования. Основные идеи, возможности, методика измерений. Л. : ОКТБ «Радиофизика» при ЛГУ, 1987. 20 с.

4. Баяхметова Т.В., Захаренко В.Н., Попов Л.Н. К методике измерений в ближней зоне радиостанций СВ-ДВ диапазонов // Рациональное ис-

пользование природных ресурсов Сибири. Томск, 1989. 144 с.

5. Баяхметова Т.В., Евсеева Н.С., Захаренко В.Н. и др. Особенности распространения радиоволн СВ-ДВ диапазонов на севере и юге Западной

Сибири // Распространение километровых и более длинных волн. Омск, 1990. С. 66-67.

6. Захаренко В.Н., Попов Л.Н., Краковецкий Ю.К., Вылцан И.А. Дистанционные методы в геологии // Актуальные вопросы геологии Сибири.

Томск, 1988. Т. 1. С. 54-55.

7. Кобранова В.Н. Петрофизика . М. : Недра, 1986. 392 с.

8. Электроразведка. Справочник геофизика. М. : Недра, 1979. 518 с.

9. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых : справочник геофизика. М. : Недра, 1978. 527 с.

10. Якупов В.С. Электропроводность и геоэлектрический разрез мерзлых толщ. М. : Наука, 1968. 179 с.

11. Доржиев В.С., Адвокатов В.Р., Бодиев Б.Б. Геоэлектрические разрезы юга Сибири и Монголии. М. : Наука, 1987. 94 с.

12. Захаренко В.Н. Влияние вариаций электропроводности подстилающей поверхности на амплитуду напряженности земной волны диапазонов СВ и ДВ // Электросвязь. 1992. № 1. 34-35.

13. Захаренко В.Н., Коржинская С.В., Огурцов Б.Л., Попов Л.Н. Влияние сезонных изменений параметров подстилающей поверхности на величину радиополя // Низкочастотный волновод «Земля - ионосфера». Алма-Ата : Гылым, 1991. С. 74-77.

14. Захаренко В.Н., Попов Л.Н., Вылцан И.А., Седихменова В.М. Электропроводность подстилающей поверхности в зоне высоких щирот // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29, № 2. С. 347-349.

15.Захаренко В.Н., Попов Л.Н., Кабанов М.В. и др. Об аномалиях электропроводности подстилающей поверхности Земли в зоне высоких широт // Доклады АН СССР. 1990. Т. 314, № 5. С. 1092-1095.

16. Захаренко В.Н. Использование электроразведки при картировании погребенного рельефа в районах развития многолетней мерзлоты // Рациональное использование природных ресурсов Сибири. Томск, 1989. 142 с.

17. Кузубов Ф. А. Сезонная зависимость дневных значений напряженности поля СВ радиовещательных станций // Геомагнетизм и аэрономия.

1969. Т. 9, № 6. С. 1110-1112.

18. Егоров В. А. Определение эффективных электрических свойств растительного покрова // Девятая региональная конференция по распростра-

нению радиоволн. СПб. : НИИ Радиофизики, 2003. 25-26 с.

19. Баяхметова Т.В., Захаренко В.Н., Пертель М.И., Попов Л.Н. Учет влияния растительного покрова при распространении радиоволн земным лучом в СВ - ДВ диапазонах // Тезисы доклада на Всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости. Улан-Удэ, 1990. С. 219-220.

20. Коржинская С.В., Лутченко А.А., Тихомиров Н.П., Захаренко В.Н. Температурные вариации ^/ в диапазоне частот 100-1000 кГц на лесных трасах юга Западной Сибири // Тезисы докладов ХУ11 Межведомственного семинара по распространению километровых и более длинных радиоволн. Томск : ТГУ, 1991. С. 21-23.

21. Егоров В.А., Макаров Г.И. Влияние растительного покрова на распространение электромагнитных волн с учетом сезонных и суточных изменений температуры // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2006. Сер. 4. Физика - химия. Вып. 1. С. 10-20.

22. Башкуев Ю.Б., Адвокатов В.Р., Ангархаева Л.Х. Карты геоэлектрических разрезов Восточного полушария // Физика Земли. 2003. № 9. С. 87-94.

23. Мельчинов В.П., Башкуев Ю.Б., Ангархаева Л.Х., Буянова Д.Г. Электрические свойства криолитозоны востока России в радиодиапазоне. Улан-Удэ : Изд-во БНЦ СО РАН, 2006. 258 с.

24. Доржиев В.С., Адвокатов В.Р., Бодиев Б.Б. Геоэлектрические разрезы юга Сибири и Монголии. М. : Наука, 1987. 94 с.

25. Башкуев Ю.Б., Мельчинов В.П., Дембелов М.Г. и др. Влияние электрических свойств криолитозоны на распространение земной волны в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46, № 4. С. 536-546.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 24 марта 2012 г.