Электроразведочные работы методом теллурических токов
А.М. ЗАГАРМИСТР, М.Н. БЕРДИЧЕВСКИЙ
За последние годы в практике разведочных работ на нефть и газ все большее применение находит метод электрической разведки, основанный на изучении естественного электрического поля земли [1, 2].
Этот метод, названный методом теллурических токов, дает менее полные сведения о разрезе, чем методы электрического зондирования, однако выгодно отличается от последних мобильностью и не требует больших затрат, что делает его использование особенно эффективным при исследованиях слабо изученных труднодоступных территорий. Хотя идеи этого метода были высказаны французским ученым К. Шлюмберже еще в 30-х годах текущего столетия, когда и были проведены первые работы по этому методу в СССР, однако практическое развитие он получил лишь в последнее время. Работы по развитию этого метода были выполнены во ВНИИГеофизике в 1949-1952 гг. С.М. Шейнманом, М.Н. Бердичевским и А.М. Алексеевым. Масштабы промышленного применения метода теллурических токов в Советском Союзе можно охарактеризовать следующими данными.
|
Год |
Количество партий |
Количество отрядов |
Площадь, км2 |
|
1955 |
2 |
3 |
7 050 |
|
1956 |
10 |
21 |
24 150 |
|
1957 |
14 |
33 |
80 000 |
Проведенные работы дали в большинстве случаев хорошие геологические результаты, позволившие поднять вопрос о широком развертывании исследований методом теллурических токов в различных геологических провинциях СССР.
Следует также указать, что метод ТТ нашел применение и за рубежом.
Основной объем работ по этому методу выполняется французскими геофизиками Главной геофизической компании.
Сущность метода теллурических токов заключается в следующем. В двух точках земной поверхности, расстояние между которыми может достигать десятков километров, при помощи двух взаимно-перпендикулярных коротких измерительных линий (порядка 500 м) одновременно ведутся наблюдения вариаций естественного электрического поля земли, обычно называемого полем теллурических токов или сокращенно полем ТТ. Это поле имеет космическое происхождение и связано с электромагнитными явлениями в ионосфере. Теллурические токи образуют на земном шаре огромные токовые вихри, пронизывающие всю толщу осадочных отложений. Вариации поля теллурических токов характеризуются широким частотным спектром, причем разведочное значение имеют вариации с периодом от 10-15 до 50-60 сек. На рис. 1 приведен пример фотозаписи вариаций поля теллурических токов.
Теория метода теллурических токов предполагает, что в пределах небольших участков земной поверхности поле ТТ в каждый данный момент времени может быть рассмотрено как поле постоянного тока, созданное бесконечно длинной питающей линией. Если исследуемая среда однородна в горизонтальном направлении, то такое поле везде постоянно по величине и направлению. На поверхности горизонтально-неоднородной среды поле претерпевает изменения как по величине, так и по направлению. Здесь наблюдаются аномалии поля ТТ, которые связаны с особенностями геологического строения исследуемой среды. Основными факторами, обусловливающими аномалии поля теллурических токов, являются колебания мощности и среднего сопротивления толщи осадочных пород, залегающих на непроводящем основании, которое обычно называют опорным электрическим горизонтом. Таким образом, поле теллурических токов в отличие от гравитационного и магнитного полей земли не зависит от внутренней структуры и петрографического состава пород, подстилающих рыхлые осадочные отложения.
При работах методом теллурических токов составляют карты и профили средней напряженности поля Е. Эти материалы позволяют судить о закономерности изменения суммарной продольной проводимости S надопорной толщи, величина которой представляет собой отношение мощности указанной толщи Н к ее среднему сопротивлению r. Между величинами Е и S, как показывает теория, существует обратная зависимость; поэтому в общем случае карте Е легко придать смысл карты S. Убывание Е связывается с возрастанием S, максимумы Е свидетельствуют о локальном уменьшении S.
В условиях выдержанного геоэлектрического разреза величина S тесно связана с тектоникой осадочной толщи: изменения S пропорциональны изменениям Н (мощности толщи). В этих условиях карта напряженности поля теллурических токов может рассматриваться как схематическая карта рельефа опорного горизонта. Локальным поднятиям этого горизонта отвечают области максимальных значений Е. Менее благоприятными являются условия, характеризуемые значительными изменениями геоэлектрического разреза по площади; причинами таких изменений могут явиться изменения литологического состава отложений осадочного покрова, а также изменения минерализации подземных вод, обусловленные особенностями гидродинамического режима. В подобных условиях интерпретация данных метода теллурических токов представляет значительные трудности. Для получения надежной информации о тектоническом строении района исследований здесь необходимы дополнительные сведения о закономерностях в изменениях среднего сопротивления осадочной толщи. Такие сведения обычно получают, выполняя опорные электрические зондирования на наиболее характерных участках исследуемой территории.
Располагая данными о параметрах осадочной толщи в отдельных немногочисленных точках площади съемки, возможно осуществить количественную интерпретацию наблюденных аномалий теллурических токов с построением схематических структурных карт по поверхности опорного электрического горизонта. Для этого составляются эмпирические графики зависимости средней напряженности E от суммарной продольной проводимости осадочной толщи S или от ее мощности, исходным материалом для которых могут являться результаты интерпретации кривых электрического зондирования или данные сейсморазведки и бурения.
Глубинность метода теллурических токов достаточно велика и в условиях проводящего разреза обычно достигает 3-5 км. При очень большой мощности осадочной толщи и низком ее сопротивлении оценка разрешающей способности метода выполняется по формулам, приведенным в специальном руководстве.
Наиболее сложна интерпретация данных метода теллурических токов в районах, разрез которых содержит промежуточные высокоомные толщи (например, гидрохимические или карбонатные отложения или породы, охваченные вечной мерзлотой). Такие толщи в зависимости от частотного спектра изучаемых вариаций могут в той или иной степени экранировать нижележащие отложения и, кроме того, вызывать сами по себе более или менее интенсивные аномалии поля ТТ. В подобных районах зачастую наблюдается суммарный эффект проявления: двух опорных электрических горизонтов. Если высокоомные толщи залегают на сравнительно небольших глубинах и имеют четко выраженный рельеф, то их влияние может оказаться преобладающим и в этом случае глубинность метода теллурических токов будет невелика. В более благоприятных условиях, когда промежуточные высокоомные отложения характеризуются спокойными формами складчатости, а рельеф фундамента, перекрытого проводящими отложениями, сильно расчленен, карты средней напряженности поля ТТ будут в основном отражать строение поверхности фундамента. Однозначная интерпретация данных метода теллурических токов возможна лишь при наличии: дополнительных сведений (например, результатов электрических зондирований или КМПВ), позволяющих оценить степень влияния того или иного опорного электрического горизонта на поле теллурических токов.
Как показывает опыт, метод теллурических токов в благоприятных условиях позволяет выявлять не только крупные тектонические элементы первого и второго порядков, но и локальные поднятия с амплитудами порядка 10-15% мощности надопорной толщи. Эти результаты определяют сферу промышленного применения метода теллурических токов.
В настоящее время при помощи этого метода в ряде районов проводятся- региональные мелкомасштабные съемки, а также крупномасштабные съемки для поисков локальных структур.
Для повышения геологической эффективности геофизических работ метод теллурических токов при региональных исследованиях обычно комплексируют с аэромагнитной и гравиметровыми съемками. В условиях Западно-Сибирской низменности метод теллурических токов сочетается с опорными сейсмическими профилями или сейсмозондированиями.
Рассмотрим некоторые наиболее типичные результаты работ методом теллурических токов.
Региональные исследования
Весьма показательны результаты работ, выполненных в 1957 г. Тюменским геологическим управлением в западной части Западно-Сибирской низменности, в пределах слабо изученной Ханты-Мансийской впадины, характеризуемой трудными условиями передвижения. Работы методом ТТ проводились в масштабе 1:1 000 000 при помощи гидросамолетов с посадкой на озерах. Одновременно с этими работами велись и сейсморазведочные работы (методом сейсмозондирований).
Породы палеозойского возраста, обладающие высоким сопротивлением, вскрыты здесь единичными скважинами на глубинах свыше 3000 м. Отложения мезокайнозоя, представленные в основном песчано-глинистыми породами, характеризуются по данным каротажа скважин низкими удельными сопротивлениями, довольно устойчиво выдерживающимися по площади. Характер разреза позволяет считать, что аномалии поля ТТ связаны в основном с изменением мощности рыхлых отложений мезокайнозоя. В исследуемом районе поле теллурических токов в целом очень спокойно. В пределах всего планшета наблюдается закономерное уменьшение напряженности поля в юго-восточном направлении от 110 до 80 условных единиц. Отдельные локальные аномалии, как правило, не превышают 5-10% от величины средней напряженности поля.
Выявленная закономерность свидетельствует о постепенном увеличении мощности мезокайнозойских отложений с северо-запада на юго-восток.
На фоне этого погружения выделяются крупные локальные поднятия сравнительно небольшой амплитуды, положение которых из-за редкой сети наблюдений намечено с известной схематичностью. Дальнейшая детальная съемка методом ТТ позволит уточнить контуры выявленных поднятий и отметить структуры высшего порядка.
Схематическая карта глубин залегания опорного электрического горизонта приведена на рис. 2. Количественная интерпретация карты средней напряженности поля была выполнена; с использованием простейшей формулы Н =A/E, причем значение коэффициента А было выбрано на основании наблюдений у двух скважин, пробуренных в Уватском районе. Несмотря на схематичность проведенной интерпретации, в силу выдержанности среднего сопротивления толщи мезокайнозойских пород по площади она позволяет получить интересные геологические данные. Важно отметить, что рекогносцировочные сейсмические работы, проведенные на этой же территории, подтвердили данные метода теллурических токов.
Хорошие результаты дает метод теллурических токов также и в южной части низменности. На рис. 3 приведен разрез по профилю Вяткино-Викулово, пересекающему Вагай-Ишимскую тектоническую зону, которая, как известно, имеет трехъярусное строение. В основании разреза залегают плотные породы палеозойского фундамента, перекрытые плохо проводящей метаморфизованной эффузивно-осадочной толщей пермотриаса. Выше залегают низкоомные песчано-глинистые отложения мезокайнозоя мощностью до 2 км. Здесь метод теллурических токов позволяет картировать подошву рыхлых мезокайнозойских отложений. Указанные работы были выполнены опытной партией ВНИИГеофизика по маршруту, вдоль которого ранее проводилась сейсморазведка. Для количественной интерпретации данных метода ТТ были использованы результаты сейсморазведки на сопредельной площади. Как видно из приведенного чертежа, при помощи метода ТТ выявлено два поднятия поверхности опорного горизонта, отвечающие известным Вяткинской и Кротовcкой структурам. Результаты работ по методу ТТ хорошо согласуются с данными сейсморазведки. Абсолютные значения мощностей толщи рыхлых отложений, вычисленные в итоге количественной интерпретации материалов ТТ, оказались весьма близкими к данным бурения скважин в районе Вяткина и Викулова.
Рассмотренные здесь примеры относятся к районам с выдержанным геоэлектрическим разрезом, где геологическая интерпретация данных метода теллурических токов отличается очевидной простотой. Приведем пример применения метода теллурических токов в более сложных условиях.
На рис. 4 приведен геолого-геофизический профиль, составленный по работам методом теллурических токов, выполненным в Латвийской ССР в сочетании с редкой сетью опорных дипольных зондирований. Работы проводились партией ВНИИГеофизики. Интерпретация данных электроразведки базируется на обработке каротажа нескольких скважин, пробуренных в пределах Прибалтийской впадины и южного склона Балтийского щита. В исследованном районе глубина залегания кристаллических пород фундамента изменяется от 500 до 1300 м. Выше залегают отложения нижнего и верхнего палеозоя, представленные карбонатными и песчано-глинистыми образованиями. Отложения девонского возраста частично загипсованы. Наличие в разрезе полого залегающих тонких пластов высокого сопротивления, как показал анализ, не оказывает в рассматриваемых условиях существенного влияния на поле теллурических токов. Опорным горизонтом для теллурических токов здесь являются породы кристаллического фундамента.
Суммарная продольная проводимость осадочных отложений, залегающих на кристаллическом фундаменте, при переходе из области Прибалтийской впадины к области Балтийского щита претерпевает сильные изменения, обусловленные не только сокращением мощности осадочной толщи, но и возрастанием сопротивлений горных пород за счет опреснения подземных вод (изменения гидродинамического режима четко отмечаются кривыми опорных дипольных зондирований). Таким образом, в пределах исследованной территории закономерности изменения средней напряженности поля теллурических токов отражают не только тектонику района, но и изменения гидрогеологического режима в зоне сочленения Прибалтийской впадины с южным склоном Балтийского щита. Нужно отметить, что в рассматриваемом примере оба этих фактора обусловливают однотипные аномалии поля ТТ, в связи с чем переход от впадины к щиту проявляется особенно четко на графиках средней напряженности поля. В результате количественной интерпретации данных метода ТТ при помощи эмпирических графиков были определены глубины залегания кристаллических пород вдоль всего профиля протяженностью около 150 км (см. рис. 4). На основании анализа опорных электрических зондирований были выделены также основные гидродинамические зоны (по значениям сопротивлений, характеризующих степень минерализации подземных вод). Важно отметить, что ввиду густой сети наблюдений в пределах погруженной части впадины удалось выявить несколько локальных выступов в рельефе кристаллического фундамента с амплитудами порядка 200 м.
Приведенный пример является достаточно типичным для прибортовых зон впадин.
Поиски локальных структур
Поисковые работы методом теллурических токов иногда сочетаются с региональными мелкомасштабными исследованиями. Однако чаще всего для поисков структур проводится площадная крупномасштабная съемка с густой сетью наблюдений. Плотность сети наблюдений выбирается в зависимости от размеров структур. Объектами поисков обычно являются солянокупольные структуры, а также четко выраженные выступы в рельефе фундамента или вышележащей мощной непроводящей толщи.
Остановимся на типичных примерах поисковых работ методом теллурических токов.
На рис. 5 приведена структурная карта по поверхности опорного электрического горизонта для северной прибортовой части Шатилковской впадины (БССР). Работы были выполнены конторой Спецнефтегеофизика. Из-за сложности геоэлектрического разреза для количественной интерпретации наблюдений были использованы материалы проводившихся ранее геофизических исследований (отдельных профилей КМПВ и ВЗ).
В пределах площади съемки природа опорного горизонта для теллурических токов различна. В северной части опорный горизонт отождествляется с кристаллическими породами фундамента. К югу опорный электрический горизонт приурочен к. поверхности соли. На рис. 6 изображены эмпирические графики, использованные при количественной интерпретации наблюдений в различных частях площади съемки.
На рассматриваемой структурной карте хорошо прослеживается региональное погружение кристаллических пород и вырисовывается ряд локальных поднятий и впадин, типичных для, районов с солянокупольной тектоникой. Разлом в кристаллическом фундаменте на карте отражен нечетко и показан условно в виде переходной зоны.
Интересно отметить, что из-за сильного регионального фона отдельные солянокупольные структуры на гравиметрической карте этого района проявляются нечетко.
Значительный интерес представляют результаты работ методом теллурических токов, выполненных в Лемьюском районе центральной части Печорской депрессии. Опорным горизонтом для электрических зондирований здесь является слабо дислоцированная толща гидрохимических отложений нижнепермского возраста, залегающая на глубинах порядка 1-1,5 км и экранирующая влияние фундамента, представленного метаморфическими сланцами. Амплитуда локальных структур в карбонатной толще каменноугольного и девонского возраста по данным сейсморазведки не превышает 100 м. На результатах электрических зондирований по пермским отложениям эти структуры часто не отражаются. Поэтому единственным методом изучения глубинного строения Печорской депрессии долгое время являлась сейсморазведка по горизонтам, относимым к карбонатным отложениям карбона и девона.
На рис. 7 приведены графики средней напряженности поля теллурических токов по профилям, пересекающим локальные поднятия, выявленные сейсморазведкой. Как видно, этим поднятиям отвечают хорошо выраженные максимумы средней напряженности поля теллурических токов. Примечательно, что указанные максимумы несколько смещены на восток по отношению к сводам поднятий. Анализ подученных результатов позволяет высказать предположение, что опорный горизонт для теллурических токов здесь приурочен к породам фундамента. Это предположение в известной мере подтверждается специальными расчетами. По-видимому, выступы в рельефе фундамента и структуры в осадочной толще отличаются закономерным сводовым несогласием: оценивая амплитуды аномалий средней напряженности поля, можно, кроме того, предположить, что рельеф фундамента расчленен значительно сильней, чем рельеф вышележащих отложений. Таким образом, в рассматриваемых условиях метод теллурических токов дает новые сведения о глубинной тектонике, которые могут быть использованы для выделения участков под детальные сейсморазведочные работы. Эти результаты особенно привлекают внимание в связи с тем, что район работ относится к местности с затрудненными условиями передвижения, где выполнение сейсмических работ сопряжено со значительными затратами.
Последний пример поисков структур методом теллурических токов относится к детальной площадной съемке, проведенной в 1957 г. в центральной части Юрезано-Сылвенской депрессии трестом Башнефтегеофизика. Район работ теллурической партии, расположенный в северо-восточной части БАССР, почти не был изучен геофизическими методами разведки и бурением. Геологической съемкой установлено, что в разрезе принимают участие карбонатные породы верхнего девона и карбона, перекрытые глинистыми сланцами и песчаниками верхов карбона и верхней перми. Геолого-съемочными работами в пределах рассматриваемой территории выявлен ряд структур, закартированных по артинским отложениям. Поисковые работы методом теллурических токов выполнены с большой степенью детальности. На площади в 1000 км2 было проведено 685 наблюдений поля ТТ; кроме того, на этой же площади для получения сведений о параметрах разреза была создана опорная сеть вертикальных электрических зондирований с максимальным разносом питающей линии 16 км.
Район работ по данным ВЭЗ характеризуется четырехслойным разрезом. Поверхностные отложения имеют мощность в большинстве случаев не более 50 м и характеризуются сопротивлением 30-120 ом м. Далее залегают отложения, имеющие сопротивление 150-300 ом м и мощность 200-350 м. Ниже расположена мощная толща проводящих отложений со средним сопротивлением 15-18 ом м, обладающая мощностью порядка 1000-1500 м. Четвертый горизонт разреза является опорным горизонтом высокого сопротивления. Ввиду отсутствия в районе работ глубоких скважин его стратиграфическая приуроченность может быть определена лишь предположительно на основании данных геологической съемки.
По сопоставлению ожидаемых мощностей свит с данными ВЭЗ наиболее вероятным является отождествление опорного горизонта для электрических зондирований с толщей известняков сакмарского яруса нижней перми, однако не исключено, что при сокращенных мощностях отложений опорный горизонт окажется приуроченным к толще известняков среднего карбона. Построенная по данным полевых наблюдений карта средней напряженности поля теллурических токов исследуемого района характеризуется наличием аномальных зон, вытянутых в меридиональном направлении. На ряде участков области повышенных значений поля ТТ приурочены к структурам, выявленным геологической съемкой, что свидетельствует о более или менее согласном залегании отложений на этих участках в пределах глубин до 1-2 км.
На рис. 8 приведена в качестве примера карта средней напряженности поля ТТ, совмещенная со структурной картой Белокатайской антиклинали.
Используя опорную сеть электрических зондирований, авторам удалось составить схематическую структурную карту поверхности опорного электрического горизонта для изученной части Юрезано-Сылвенской депрессии, на основании анализа которой сделаны рекомендации по дальнейшей разведке выявленных поднятий.
Существенно отметить, что к западу от этой территории результаты применения метода ТТ оказались малоэффективными из-за сильного влияния на поле ТТ загипсованных отложений, местами выходящих на дневную поверхность.
Рассмотренные в этой статье примеры свидетельствуют о необходимости дальнейшего развертывания работ по методу теллурических токов. Применение этого метода при региональных исследованиях существенно дополняет данные гравиметровой и аэромагнитной съемок и облегчает выяснение природы геомагнитных и гравитационных аномалий. При поисках локальных поднятий методом ТТ могут в благоприятных условиях быть намечены площади под детальные сейсмические работы. Внедрение этого метода в промышленность облегчается созданием во ВНИИГеофизике и ИМА АН УССР специальной портативной аппаратуры, серийный выпуск которой начат в 1958 г.
Применению метода ТТ в новых, районах должны предшествовать небольшие по объему опытные работы на известных структурах, позволяющие выяснить основные соотношения между полем ТТ и тектоникой осадочных отложений. Особое внимание должно быть уделено вопросу о применимости метода ТТ в условиях вечной мерзлоты. Можно полагать, что в ближайшее время работы методом ТТ станут неотъемлемой частью комплекса региональных геофизических исследований, проводящихся для изучения строения обширных территорий Сибири и Средней Азии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев А.М., Бердичевский М.Н., Загармистр А.М. Применение новых методов электроразведки в Сибири. Гостоптехиздат. Прикладная геофизика, 18, 1958.
2. Миго Л., Кунец Г. Электроразведочные работы на нефть. Тр. междунар. нефт. конгресса, 2 т., Геофизические методы разведки, Гостоптехиздат, 1956.
ВНИИГеофизика
Рис. 1. Фотозапись вариаций поля ТТ.
Рис. 2. Схематическая структурная карта западной прибортовой части Ханты-Мансийской впадины по опорному электрическому горизонту (по материалам Ю.С. Копелева).
1-изогипсы поверхности опорного электрического горизонта; 2-роторные скважины.
Рис. 3. Геолого-геофизический разрез по профилю Вяткино-Викулово.
1-поверхность опорного электрического горизонта; 2- подошва рыхлых мезо-кайнозойских отложений; 3-поверхность сейсмического отражающего горизонта в низах мезозоя; 4-значения средней напряженности поля ТТ.
Рис. 4. Геолого-геофизический разрез по профилю Цесвайне - Вяймела.
1-граница между гидродинамическими зонами; 2-поверхность кристаллического фундамента по данным электроразведки; 3-значения средней напряженности поля ТТ.
Рис. 5. Схематическая структурная карта северной части Шатилковской депрессии по опорному электрическому горизонту (по материалам Д.С. Кубарева).
1-изогипсы поверхности опорного электрического горизонта, приуроченного к фундаменту; 2 -изогипсы поверхности опорного электрического горизонта, приуроченного к соленосным отложениям девона; 3-переходная зона.
Рис. 6. Эмпирические кривые зависимости Е от Н.
Рис. 7. Сопоставление результатов работ методом ТТ с данными сейсморазведки на Лемьюской площади (по материалам К.С. Морозова).
1-изогипсы сейсмического отражающего горизонта в карбоне; 2-графики средней напряженности поля ТТ.
Рис. 8. Карта средней напряженности поля ТТ для района Белокатайской антиклинали.
1-изолинии средней напряженности поля; 2 -изогипсы поверхности горизонта в белокатайской свите артинского яруса (по материалам Б.М. Меламеда).