On conductivity of permafrost.pdf В связи с тем что для территории СССР отсутство-вала информация об электрических свойствах горныхпород (единственным картографическим источникомоб этих свойствах являлась Карта электрического рай-онирования мира масштаба 1:10 000 000 северо-американского исследователя Моргана), в 1986 г. подобщим руководством Г.И. Макарова и главного конст-руктора проекта А.А. Штейнберга (ОКТБ «Радиофизи-ка» при Ленинградском госуниверсите) составленапрогнозная карта геоэлектрических разрезов СССРмасштаба 1:2 500 000 [1-3].Непосредственно в создании прогнозной карты гео-электрических разрезов (ГЭР) на территории Сибири,Таймыра и ряда других регионов принимали участие иавторы - сотрудники Томского государственного уни-верситета.Следует отметить, что изучение электропровод-ности горных пород необходимо многим ведомствамРоссийской Федерации для решения своих специфи-ческих задач: Министерству природных ресурсов -для поисков месторождений полезных ископаемых,Министерству связи и массовых коммуникаций - длявыявления мест расположения новых радиопере-дающих центров, Министерству энергетики и Мини-стерству экономического развития - для выбора оп-тимального варианта прокладки трасс нефтегазопро-водов и линий электропередач, Министерству обо-роны - для решения задач раннего и дальнего обна-ружения целей и организации связей с рядом спец-объектов и т.д.Принимая во внимание, что электропроводностьподстилающей для электромагнитных волн поверхно-сти подвержена сезонным изменениям, параллельнонами решались задачи по изучению вариаций электри-ческих свойств горных пород и древесной раститель-ности во времени.Для этого были организованы стационарные на-блюдения за электропроводностью пород методамивертикального электрического зондирования (ВЭЗ) ирадиоэлектромагнитного зондирования (РЭМЗ), древе-сины - методом симметричного электропрофилирова-ния (СЭП) и напряженностью радиополя в диапазонечастот 100-1000 кГц. Одновременно проводились из-мерения температуры воздуха и почвы.Заверочные работы методами ВЭЗ, РЭМЗ проведе-ны 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.) иСвердловск - Камышлов (1989 г.).При этом основное внимание уделялось интеграль-ному методу радиокомпарирования трасс, позволяю-щему за короткое время исследовать значительныетерритории (табл. 1). Данный метод выполнялся тремямодификациями: автомобильной (юг Западной Сиби-ри), авиационно-десантной (Таймырский полуостров)и, благодаря разработкам А.А. Штейнберга, авиацион-ной. Последняя позволяла вести непрерывную регист-рацию напряженности радиополя в полете (юг и северЗападной Сибири, Восточная Сибирь и Северо-ВостокРФ). Измерения напряженности земной волны прово-дились от 16 излучателей СВ-ДВ диапазона (160-1000 кГц). Перед началом измерений в дальней зонедля каждой радиоантенны определялись диаграммынаправленности излучателя и значения Eо . Rо в ближ-ней зоне (где Eо - напряженность радиополя в точкенаблюдения, Rо - измеренное расстояние от излучате-ля до точки наблюдения) [4]. В процессе измеренийрассчитывались абсолютные значения напряженностирадиополя, для чего к измеренным величинам прибав-лялись поправочные коэффициенты. Протяженностьотдельных трасс составляет от 100 до 1 130 км; сум-марная протяженность 36 трасс радиокомпарированияпревышает 15 000 км. Количество регистрируемыхчастот на одной трассе изменялось от 1 до 5 в зависи-мости от местоположения трассы, что позволило полу-чить в общей сложности 94 кривых изменения модуляфункции ослабления от расстояния. Для определенияточности работ дополнительно проводились контроль-ные измерения по 16 трассам, что составило 44% кон-троля. Погрешность измерений находилась в пределахот 5 до 15% [5, 6].Для изучения сезонных изменений модуля функцииослабления работы методом радиокомпарирования наодной и той же трассе выполнялись дважды - в летний изимний периоды. Такие наблюдения выполнены на трассеНовосибирск - Тегульдет, характеризующейся наличиемлесной растительности и сезонномерзлого слоя, и на трас-се Норильск - Тазовский в зоне развития многолетне-мерзлых горных пород, где растительный покров почтиотсутствует и имеется сезонноталый слой.Вариации напряженности радиополя изучались отрадиостанций Новосибирского радиопередающего цен-тра (РПЦ) - 171, 270, 576 и 675 кГц, КрасноярскогоРПЦ (218 кГц), Горно-Алтайского РПЦ (281 кГц), Но-рильского РПЦ (162 и 612 кГц) и на некоторых другихчастотах. Для изучения вариаций модуля функции ос-лабления радиоволн параллельно с измерениями вдальней зоне (г. Томск) проводились наблюдения занапряженностью радиополя в ближней зоне радио-станций 171, 576 и 675 кГц. Синхронно с амплитудойрадиополя измерялись температуры воздуха и почвы, атакже электропроводность верхней части геоэлектри-ческого разреза методами ВЭЗ и РЭМЗ [13]. В период сапреля 1989 г. по июнь 1990 г. при помощи стационар-ной установки симметричного электропрофилированияпроводились измерения вариаций электропроводностидревесины в температурном интервале от - 27 до + 27градусов по Цельсию [12, 13].Т а б л и ц а 1Перечень трасс, исследованных методом радиокомпарирования в период с 1986 по 1990 г.Радиопередающийцентр Трасса Протяженность трассы, км Частоты, кГцНовосибирск - Красноярск 640Новосибирск - Колпашево 320Новосибирск - Омск 660Новосибирск - Горно-Алтайск 425Новосибирск - Барнаул - Алма-Ата 640Новосибирск - Таштагол 400Новосибирск - Камень-на-Оби - Павлодар 560Новосибирск - Барнаул - Павлодар 560НовосибирскНовосибирск - Тегульдет 500171,272 (270),576,289Омск - Павлодар 440Омск - Челябинск - Свердловск 790Омск - Тюмень Омск - Свердловск 790Омск - Новосибирск 660639Свердловск - Челябинск - Омск 790Свердловск - Караганда 1130Свердловск - Камышлов 100Свердловск - Кокчетав 790СвердловскСвердловск - Тюмень - Тобольск - Демьянское 610281Норильск - Диксон 395Норильск Норильск - Тазовский, 400Норильск - Хатанга 630162,612Сургут - Надым 480Сургут - Игрим 480Сургут Сургут - Тарко-Сале 250Сургут - Юильск 400225,594Красноярск ККрраасснноояяррсскк -- КНаонвсокс и-б Биррасткс к 664400 216Братск ББррааттсскк -- ККирарсенносякр ск 462400 699Якутск - Витим 804Якутск - Средне-Вилюйск 395Якутск - Хандыга 365Якутск - Жиганск 560ЯкутскЯкутск - Усть-Мая - Охотск 552171,549Магадан - Охотск 520Магадан Магадан - Омсукчан 410Магадан - Сеймчан 370234Анадырь Анадырь - Марково 225 693Полученный материал использовался для уточне-ния ранее составленной прогнозной карты ГЭР мас-штаба 1:2 500 000 для территории Западной Сибири иТаймырского полуострова на глубину скин-слоя час-тоты 10 кГц. В ходе составления и уточнения даннойкарты выявлено и экспериментально доказано широ-кое распространение в зоне развития многолетне-мерзлых горных пород низкоомных образований, врезультате чего подстилающая поверхность для опре-деленных частот в таких местах приобретает не емко-стную, а индуктивную электропроводность [14, 15].Наличие низкоомного слоя позволило использоватьметод РЭМЗ (РЭМП) (по другой классификации -метод СДВР) в высоких широтах для определениямощности рыхлых отложений при поисках россыпныхместорождений полезных ископаемых (рис.1) [16].Накопленный экспериментальный материал вариа-ций напряженности радиополя и вариаций электропро-водности древесины (как лиственной, так и хвойной)лег в основу решения задачи так называемой зимнейаномалии распространения средневолновых радиоволнв средних широтах.Более ранними исследованиями установлена сезон-ная зависимость дневных значений напряженности поляСВ радиостанций [17]. В то же время нередко отмеча-лись случаи, когда в зимнее время напряженность ра-диополя характеризовалась «летними» значениями, чтоне имело на тот момент времени своего обоснования.Такое поведение напряженности радиополя объясняетсятемпературной зависимостью электропроводности дре-весины [14, 18-21], что требует введения при проведе-нии геофизических исследований в зимний период тем-пературных поправок к измеренным значениям напря-женности радиополя.Следует отметить, что при изучении условий рас-пространения радиоволн в европейской части РФ и наюге Западной Сибири успешно использовались данныелокальных параметров электромагнитных свойств(ЭМС), так как они имеют примерно равные значения синтегральными параметрами. Исключения составляютгорные (Урал, Алтай) и северные районы европейскойчасти РФ. Территория севера Западной Сибири, всяВосточная Сибирь, Якутия, Северо-Восток РФ и боль-шей частью Дальний Восток РФ характеризуются ши-роким развитием многолетнемерзлых горных пород и,соответственно, другими значениями ЭМС в отличииот талых. (Под термином «многолетнемерзлые горныепороды» понимаются отложения, имеющие отрица-тельную по Цельсию температуру и содержащие водукак в твердой, так и в жидкой фазе. Последние носятназвание «криопэги».)Считалось, что электропроводность мерзлых рых-лых пород на порядки отличается от талых, достигаязначений 10-7 см/м (табл. 2). Авторы работ [7-11] неучитывали влияния минерализации на электропровод-ность рыхлых отложений. В то же время засоленныемерзлые рыхлые отложения широко распространенывдоль всего Арктического побережья. Только на севереЗападной Сибири они занимают площадь около1 млн км2. Минерализация охватывает криогеннуютолщу на всю ее мощность до 300 и более метров, имеяразличное геологическое происхождение. Засоленныемерзлые отложения, отличаясь повышенным содержа-нием воды, представляют собой сложную криогеннуюсистему криолитозоны, занимая промежуточное поло-жение между мерзлыми и немерзлыми породами.В качестве примера можно привести данные иссле-дований, выполненных по буровому профилю Л-210,расположенному на Арктическом побережье п-ва Че-люскин, в среднем течении р. Кунар, где в 1986 г. былипроведены работы с использованием следующих гео-физических методов: ВЭЗ с АВ/2 до 500 м, двухраз-носного симметричного ЭП с АВ/2 11 и 100 м, двух-частотного электромагнитного профилирования на час-тотах 16,4 и 19,0 кГц, магниторазведки.Удельное электрическое сопротивление (УЭС) пер-вого слоя, отвечающее зоне сезонной оттайки, изменя-ется в пределах 15-50 . 100-300 Ом·м (рис. 1, В). Мощ-ность этого слоя на каждой точке измерения определя-лась металлическим щупом и варьирует от 10 до 70 см.Второй слой (горизонт) характеризуется не толькоповышенным УЭС, но и большей вариацией электри-ческого сопротивления по разрезу (11 000 .89 000 Ом·м, с единичными «отскоками» до120 000 Ом·м). В геологическом отношении этомуслою отвечают мерзлые морские четвертичные отло-жения, прослеживающиеся по всему профилю. Из-менчивость УЭС объясняется различной льдистостьюэтих образований, а максимальные значения отвечаютпрослоям льда, наблюдающегося в разрезе. Мощностьслоя меняется от 2 до 5 м.Наибольший интерес представляет третий слой,характеризующийся пониженным сопротивлением30-200 Ом·м. Согласно геологическим данным этотслой отвечает мерзлым прибрежно-морским верхне-юрским отложениям. Пониженное сопротивлениеэтих пород объясняется наличием повышенного со-держания солей, а изменение УЭС по разрезу - раз-личными концентрациями соли в отложениях. Мощ-ность верхнеюрских рыхлых образований составляетпо данным бурения от 5 до 50 м и от 5 до 65 м по дан-ным интерпретации ВЭЗ.С начала постановки электроразведочных работ врайонах развития многолетней мерзлоты установленыотдельные аномальные зоны электропроводности, вкоторых УЭС горных пород составляет всего 10-200 Ом·м (для сравнения отметим, что такое сопро-тивление отвечает самым низкоомным породам - гли-нам в талом состоянии). В частности, в 1985 г. геофи-зик Полярной ГРЭ О.Ф. Тараторкин, выполняя работыметодом ВЭЗ на профиле Л-210, обратил внимание нанемерзлотный («материковый») тип полученных кри-вых ВЭЗ.Электрическая граница между третьим и четвертымслоями менее четкая, чем у двух вышележащих границ,но, тем не менее, она хорошо проявляется на кривыхВЭЗ. УЭС нижнего слоя составляет 250-600 Ом·м. Сгеологической позиции он отвечает мерзлым кореннымдоюрским породам (известняки, сланцы, вулканиты).Несмотря на то что по электрическим свойствам ко-ренные горные породы хорошо дифференцированы (поданным ВЭЗ, поставленным в местах выхода такихобразований на дневную поверхность) достоверно ус-тановить их местоположение на разрезе не представля-ется возможным. По-видимому, это связано с пере-слаиванием карбонатно-сланцевой толщи, из-за чегоэлектрический ток, протекая по породе, показываетсреднее сопротивление этой толщи.Наличие низкоомного горизонта позволило (скин -слой 65 м вместо ожидаемых при высоком сопротивле-нии 500 м) впервые использовать в этом регионе методРЭМП на частотах 16,4 кГц (радиостанция расположе-на в Норвегии, позывные YXZ, координаты излучателя52° 25. с.ш. и 13° 12΄ в.д.) и 19,0 кГц (радиостанцияпринадлежит Англии, позывные GOD, координаты из-лучателя 52° 22΄ с.ш. и 01° 11΄ в.д.), имеющих пример-но один пеленг.Следует отметить отсутствие в районе работ сигна-лов от радиостанций 66 кГц (сеть советских маломощ-ных навигационных излучателей) и радиостанции15,1 кГц (французская радиостанция мощностью500 кВт), хотя геофизики ЦАГРЭ ПГО «Северморгео-логия» проводили работы на Северной Земле со стан-цией «Скат» именно на этой частоте.Работы по профилю Л-210 показали, что пони-женные участки погребенного рельефа характеризу-ются пониженными (по абсолютной величине) зна-чениями фазы приведенного поверхностного импе-данса (ƒ) (рис. 1, А). В тех местах, где коренные по-роды практически выходят на дневную поверхность,фаза импеданса имеет значения, близкие к 45°, чтоотвечает однородному разрезу. В то же время модульприведенного поверхностного импеданса (pэф) в та-ких местах имеет пилообразный характер и можетпринимать повышенные значения (зона развитиякварцевых жил).Т а б л и ц а 2Электропроводность мёрзлых и талых горных породМерзлая10-1-10-310-3-10-42·10-4-5·10-510-3-10-710-3-10-72·10-3-6·10-410-3-6·10-4(2-3)·10-410-3-10-510-3-10-52·10-3-5·10-310-3-10-510-3-10-55·10-4-2·10-42,5·10-410-3-10-5ТалаяСреднее1-10-25·10-2-10-210-2-3·10-32·10-2-5·10-55·10-2-10-55·10-2-5·10-410-2-2·10-33·10-2-2·10-410-2-10-610-4-10-62·10-2-10-62(10-3-10-5)10-2-10-410-3-10-42(10-6-10-7)2(10-3-10-6)Мерзлая11- - - - -- - - - -2·10-4-5·10-510-4-10-510-4-10-5- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -Талая1110-1-10-25·10-2-10-210-2-3·10-32·10-2-5·10-55·10-2-3·10-4- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -Мерзлая10- - - - -- - - - -- - - - -3·10-6-10-63·10-6-10-62·10-3-6·10-410-32.5·10-410-3-5·10-410-3-3·10-42·10-3-5·10-32·10-3-10-32·10-3-10-45·10-4-2·10-42.5·10-4- - - - -Талая10- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -7·10-32.5·10-3- - - - -2·10-3- - - - -- - - - -- - - - -10-3- - - - -- - - - -Мерзлая9- - - - -3·10-4-10-43·10-4-10-43·10-3-10-5- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -Талая910-1-10-2- - - - -- - - - -- - - - -- - - - -5(10-2-10-3)2(10-2-10-3)3·10-2-10-310-2-10-55(10-4-10-6)2(10-3-10-6)2(10-3-10-5)- - - - -10-3-10-42(10-6-10-7)2(10-3-10-6)Мерзлая810-1-10-310-1-10-310-1-10-310-3-10-710-3-10-7- - - - -6·10-4(2-3)·10-410-3-10-510-3-10-510-3-10-510-3-10-510-3-10-55·10-410-3-10-510-3-10-5Талая8- - - - -- - - - -- - - - -1-10-51-10-5- - - - -10-2- 5·10-35·10-3- 2·10-3- - - - -10-2-10-4- - - - -- - - - -10-3- - - - -- - - - -- - - - -Электропроводность, см/мТалая7100-10-2- - - - -- - - - -10-2- 4·10-4- - - - -1-10-4(1-2)·10-52(10-3-10-4)10-4-10-610-3-10-410-2-10-42·10-3-10-510-2-10-310-3-10-42(10-6-10-7)2(10-3-10-6)Горная порода Литературныйисточник ГлинаСуглинокСупесьПесокГравийАлевролитГлинистый сланецПесчаникКарбонатыГипербазитыБазальтАндезитЛипаритГранитДиабазКристаллическийсланецРис. 1. Зона пониженного электрического сопротивления в многолетнемерзлой толщеРаботы, проведенные на участках «Кунар», «Между-речье», «Серебрянка», «Анжелико», «Путевой», «Тессе-ма», «Летний» на п-ве Челюскин показали повсеместноеналичие низкоомного горизонта, связанного с минерали-зацией многолетнемерзлых горных пород. Благодаря то-му редкому обстоятельству, что летние сезоны 1985 и1986 гг. были необычайно сухими и тундра очень сильновысохла, на полуострове проявились «запрещенные» длятундры геоморфологические образования - солончаки итакыры. Солончаки и такыры представляют собой пло-ские участки тундры совершенно лишенные растительно-сти и сложенные преимущественно светлыми глинами,разбитыми глубокими трещинами усыхания на отдельныемногоугольные плитки. Горьковато-соленая и слегка«мыльная» на вкус соль выступала на поверхности глинпятнами и почти сплошной корочкой толщиной до 1-2 мм. УЭС, по данным ВЭЗ, верхнего шестиметровогомерзлого слоя такыра имеет значение всего 15 Ом·м.Таким образом, выявленное нами ранее [5, 14-16]широкое распространение зон с пониженным электри-ческим сопротивлением среди многолетнемерзлых по-род можно считать установленным фактом, что под-тверждают и другие исследователи криолитозоны [22-25 и др.].

Скачать электронную версию публикации