Engineering geophysical investigations using electrical resistivity tomography for groundwater exploration in the Bodaibo district of the Irkutsk region

Texto integral

Введение

В статье рассматривается применение наземных геофизических исследований методом электротомографии в составе инженерно-геологических изысканий для поиска подземных вод технического назначения в Бодайбинском районе Иркутской области.

Разведка и эксплуатация подземных вод, жизненно важного и необходимого ресурса, представляет собой непростую задачу в горных породах, которым свойственно неоднородное строение. Из широкого перечня наземных геофизических методов для поиска подземных вод в большинстве случаев используется электроразведка. Двумя основными методами электроразведки на постоянном токе являются вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) и электрическое профилирование (ЭП). Вышеперечисленные методы имеют некоторые ограничивающие условия применения в исследовании разреза, так как модель, полученная по результатам инверсии данных, имеет достаточно низкую разрешающую способность из-за недостаточного количества регистрируемых точек наблюдения. Благоприятными условиями для применения метода ВЭЗ является горизонтально-слоистая среда, которая на практике встречается достаточно редко при решении поисковых задач в реальных геологических ситуациях [1]. Методы ЭП дают информацию только на определенной глубине исследования.

Использование электротомографии позволяет регистрировать большее количество точек наблюдения за такой же промежуток времени в сравнении с методом ВЭЗ, что сказывается на результате инверсии – модель удельного электрического сопротивления (УЭС) получается с большей детальностью [2]. Электротомография является универсальным и экономически эффективным методом поиска подземных вод в различных геологических условиях благодаря детальному расчленению разреза по параметру УЭС [3]. Инверсию данных методом электротомографии можно выполнять в рамках двумерных и трехмерных моделей. Это принципиально расширяет круг решаемых электроразведкой задач за счет исследования сред, значительно отличающихся от стандартных горизонтально-слоистых [4].

В традиционных методах электроразведки на постоянном токе обычно используются такие установки, как двухэлектродная, Веннера, Шлюмберже, дипольная и трёхэлектродная [5, 6]. Тип установки во многом зависит от цели работы, объекта исследования, геологии участка и чувствительности установки к вертикальным и латеральным вариациям распределения значений УЭС [7]. Измерения выполняются по профилям, затем зарегистрированные значения разностей потенциалов преобразуют в кривые зондирования или разрезы значений кажущихся сопротивлений, свидетельствующие об изменении сопротивлений в изучаемой среде. По результатам инверсии электроразведочных данных маркируются аномалии пониженного удельного электрического сопротивления, характеризующие наличие подземных вод, и детализируется геологическое строение исследуемой территории [8–10].

Электротомографические измерения выполняются, как правило, в тех случаях, когда требуется изучение геологических разрезов со сложным строением [11, 12]. Водонасыщенные зоны характеризуются более низким УЭС, чем вмещающие породы, поэтому методы электроразведки, в данном случае электротомография, весьма перспективны для их поиска [13–16]. Работы этим методом проводились для оценки геолого-гидрогеологических особенностей наличия подземных вод технического назначения, а также подтверждения или опровержения наличия таликовой зоны и возможной локализации ее наиболее обводненной части. Задачей работ методом электротомографии являлось расчленение геологического разреза до глубины 100 м по сопротивлению пород, что дало возможность определения интервалов водопритока.

Комплекс поисково-оценочных работ включал в себя проведение геофизических исследований в скважинах (ГИС) и поисковое бурение скважин. Места заложения гидрогеологических скважин определялись исходя из предпосылки наличия или отсутствия таликовой зоны вблизи реки. Помимо рекогносцировочных маршрутных обследований на предмет проявлений выходов подземных вод на поверхность, как уже упоминалось выше, были проведены исследования методом электротомографии. После проведенных комплексов исследований на местности были выбраны точки бурения, наиболее близкие к локализации водовмещающих пород и в то же время к элементам рельефа, не мешающим буровым работам.

На территории, прилегающей к участку изысканий, достаточно активно ведутся открытые горные работы по добыче рудного сырья. При этом интенсивно используются химические реактивы, а рабочие поселки не всегда оборудуются как канализованием, так и водоотведением сточных вод. В связи с этим существует опасность загрязнения поверхностных водотоков как на этапе переработки сырья, так и по факту сброса сточных вод. Данные факторы совместно с ярко выраженной сезонностью водообильности водотоков отрицательно влияют на постоянство химического состава, его соответствие питьевым нормам и в целом могут вносить элемент «неожиданности», например, при использовании новых реактивов. В связи с этим подземные воды обеспечивают достаточное постоянство химического состава благодаря их защищенности, а также инфильтрации воды через горные породы, в которых сорбируется часть потенциальных загрязнителей. Такое постоянство, даже в случае несоответствия качества воды питьевым нормативам, позволяет адекватно подобрать комплекс водоподготовки и минимизировать как затраты на нее, так и риски появления превышений по неучтенным показателям после нее.

Геологическое описание

Участок недр в гидрогеологическом отношении находится в границах Вачско-Хомолхинского гидрогеологического района Нечеро-Жуинской гидрогеологической складчатой области (рис. 1). Водоносные комплексы приурочены к таликовым зонам четвертичных и протерозойских отложений, распространенным вдоль поймы р. Жуи, и зонам повышенной трещиноватости протерозойских отложений (PR2+3im), наиболее выраженной непосредственно под нижней границей многолетней мерзлоты, что связано с многократными ее изменениями.

 

Рис. 1. Геологическое строение участка работ: 1 – Четвертичные отложения; 2 – Онангрская свита. Известковистые песчаники с прослоями сланцев и известняков; 3 – Вачская свита. Высокоуглеродистые кварцевые сланцы, графитистые кварцевые сланцы и метапесчаники; 4 – Аунакитская свита. Метапесчаники, песчаники, углеродистые сланцы, кварциты; 5 – Имняхская свита. Песчаники и метапесчаники, известковистые сланцы, известняки песчанистые; 6 – Хомолхинская свита. Сланцы углеродистые, с прослоями песчаников; 7 – Угаханская свита. Переслаивающиеся известковистые сланцы и известняки мраморизиованные; 8 – Бужуихтинская свита. Переслаивающиеся углеродистые метаалевролиты, метапесчаники, с прослоями известняков; 9 – Бодайбоканская свита. Известняки; 10 – Бугорихтинская свита. Метапесчаники, прослои сланцев; 11 – Тектонические контакты; 12 – Контур участка работ

Fig. 1. Geological structure of the exploration area: 1 – Quaternary deposits; 2 – Onangra suite. Calcareous sandstones with shale and limestone bands; 3 – Vacha suite. High carbon quartz schist, graphitic quartz schist and metasandstones; 4 – Aunakit suite. Metasandstone, sandstones, high carbon schist, quartzites; 5 – Imnyakh suite. Sandstones and metasandstones, calcareous shales, sandy limestones; 6 – Khomolkho suite. Carbonaceous shales with sandstone bands; 7 – Ugakhan suite. Interbedded calcacerous shales and marbled limestones; 8 – Buzhuikhta suite. Interbedded carbonaceous metasiltstones, metasandstones with limestone bands; 9 – Bodaibokan suite. Limestones; 10 – Bugarikhta suite. Metasandstones, shale bands; 11 – Tectonic contacts; 12 – Boundaries of the exploration area

 

Рифей-вендские осадочные отложения в районе изысканий слагают Маракано-Тунгусскую сложную синклиналь Мамско-Бодайбинского синклинория. В целом разрез отложений характеризуется чередованием в различной степени углеродистых терригенных и карбонатно-терригенных формаций.

По литолого-стратиграфическим особенностям разреза, характеру переслаивания и соотношениям породных компонентов они подразделены на свиты, подсвиты и пачки. Залегания между стратиграфическими подразделениями согласные, переходы – постепенные. На большей части территории первично-осадочные породы, слагающие Маракано-Тунгусскую сложную синклиналь, изменены в условиях низких ступеней серицит-хлоритовой субфации зеленосланцевой фации регионального метаморфизма.

Четвертичные отложения

Рыхлые четвертичные отложения широко распространены в пределах участка изысканий. Они представлены разновозрастным комплексом ледниковых, водно-ледниковых, аллювиальных и склоновых образований.

В целом верхнюю часть четвертичного разреза характеризуют современный галечный, валунно-галечный и песчаный аллювий русловой и пойменной фаций и комплекса надпойменных террас, глыбово-дресвяно-супесчаные элювиальные, делювиальные и солифлюкционные отложения. Ниже залегает мощный комплекс верхнечетвертичных образований патомского оледенения, который определяют водно- и озерно-ледниковые пески, супеси, галечники и илы в верхней части и несортированная глинисто-валунно-галечная морена – в нижней. Погребенный рельеф (глубокий тальвег, комплекс террас) сложен золотоносными аллювиальными галечниками, песками и суглинисто-щебнистым элювием. Общая мощность четвертичных отложений варьирует от 2–5 до 50–75 м.

Средний-верхний рифей

В районе работ среднерифейские отложения представлены бужуихтинской, угаханской, хомолхинской и имняхской свитами.

Бужуихтинская свита (R2+3 bz) представлена в северо-восточной части, смята в складки вместе с отложениями угаханской свиты. Сложена темно-серыми и серыми полевошпатокварцевыми, иногда известковистыми песчаниками, серыми и темными кварцево-серицитовыми и углистыми сланцами, присутствуют отдельные прослои углистых известняков. Мощность достигает 500 м.

Угаханская свита (R2+3 uh) вскрывается в крайней северо-восточной части района. Она сложена серыми и темно-серыми разнозернистыми известняками (70 %) с пакетами мощностью 5–15 м тонкопереслаивающихся темно-серых до черных углеродистых, слюдисто-кварцевых, известковистых и не известковистых алевритовых сланцев. Мощность подсвиты 320–380 м.

Хомолхинская свита (R2+3 hm) широко распространена на изученной территории. Она является рудовмещающей на золоторудных месторождениях Сухой Лог, Высочайший и характеризуется флишоидным разрезом. Свита расчленена на три подсвиты. В ее составе преобладают алевритовые и пелитовые сланцы. Особенностью разреза свиты является ритмичное тонкое переслаивание однообразных темных углеродистых пород – кварцевых песчаников, алевритовых и филлитовидных сланцев, свойственное нижней и верхней подсвитам.

Имняхская свита нерасчлененная (R2+3 im) слагает центральную часть района работ. В нижней части свиты преобладают пакеты тонкопереслаивающихся серых и зеленовато-серых карбонатных и не карбонатных слюдистых сланцев с прослоями различной мощности карбонатных метапесчаников и слюдистых известняков. В зоне повышенного метаморфизма (изограда биотита) для сланцев характерно появление значительного количества порфиробласт биотита и ильменита, в результате этого они приобретают пятнистый облик. В верхней части увеличивается доля прослоев и слоев светлоокрашенных песчанистых, часто слюдистых известняков. Мощность свиты 600–750 м [17, 18].

Методика работ

Геофизические работы методом электротомографии проводились в августе 2022 г. в Бодайбинском районе Иркутской области в 170 км от г. Бодайбо (рис. 2). В условиях ограниченного объема работ было выполнено четыре профиля общей длиной 1210 м. Детальное строение верхней части разреза до глубин 70–100 м было получено по данным электротомографии, выполненной аппаратурой «Скала 64К15Е» [19].

 

Рис. 2. Схема расположения профилей электротомографии

Fig. 2.    Map of electrical resistivity tomography survey lines

 

Электротомография – это электроразведочный комплекс, включающий в себя как методику полевых работ, так и технологию обработки и интерпретации полевых данных. Данный метод основан на применении многоэлектродных электроразведочных кос, подключаемых к аппаратуре, способной коммутировать токовые и измерительные электроды на произвольные выводы косы [20]. Ее особенностью является многократное использование в качестве питающих и измерительных одних и тех же фиксированных на профиле электродов. Данная методика приводит к уменьшению общего числа рабочих положений электродов при существенном увеличении плотности измерений по сравнению с обычным методом вертикальных электрических зондирований. Такой подход позволяет, с одной стороны, работать с современной высокопроизводительной аппаратурой, а с другой – применять эффективные алгоритмы моделирования и инверсии [21–23].

Удельное электрическое сопротивление является параметром, который зависит от содержания воды в горной породе, ее пористости, электропроводности воды, типа минералов и температуры воды [24, 25]. Именно это определяет выбор метода электротомографии для поиска и локализации проницаемых зон [26, 27]. Для наиболее распространенных осадочных, изверженных и метаморфических горных пород УЭС зависит от минерального состава, физико-механических и водных свойств горных пород, концентрации солей в подземных водах и в меньшей мере от их химического состава, а также от некоторых других факторов (температуры, глубины залегания, степени метаморфизма и др.) [28].

Метод электротомографии позволяет получить двумерную модель удельного электрического сопротивления верхней части разреза с высоким разрешением, учитывающую сложности геологического строения и топографию [29, 30]. Данный метод является наиболее распространенным и точным среди всех геофизических методов поиска подземных вод из-за большого диапазона значений УЭС, зависящего от условий насыщения горных пород подземными водами [31].

При проведении полевых измерений методом электротомографии использовалась прямая и обратная трехэлектродная установка, которая, так же, как и двухэлектродная, имеет хорошее горизонтальное покрытие и большую глубинность, сочетая это с помехоустойчивостью и высоким уровнем сигнала. При этом трехэлектродная установка, так же как и дипольная, имеет большую чувствительность к горизонтальным неоднородностям в исследуемом разрезе. Помимо прямой и обратной трехэлектродной установки использовалась установка Шлюмберже, которая обладает равной чувствительностью к вертикальным и горизонтальным границам и является компромиссным решением между установками Веннера и дипольной, а также характеризуется большей на 10 % глубинностью, чем у Веннера, и средним горизонтальным покрытием [32]. Расстояние между электродами было принято в 10 м. Выбор расстояния между электродами позволяет регулировать глубинность исследования и влиять на разрешающую способность [33]. Выходное напряжение составляло 200 В. Продолжительность импульса тока – 100 мс, паузы – 20 мс. Отсчеты брались на следующих временах 120, 140, 160 мс.

Результаты и их обсуждение

Инверсия данных выполнялась в программе ZondRes2d, которая предназначена для двумерной инверсии данных электротомографии методом сопротивлений и вызванной поляризации [34]. Задача инверсии заключается в сопоставлении модельных данных с наблюденными для воссоздания геологической модели исследуемой среды. Из-за неполноты и зашумленности наблюденных данных решение обратной задачи может иметь множество решений [35].

Качество и достоверность результатов работы алгоритма автоматической двумерной инверсии зависело и от качества полевых данных, и от соответствия изучаемой геологической среды двумерной геоэлектрической модели, и от полноты использования априорной информации [36]. Известно, что при проведении автоматической инверсии данных электротомографии имеет место быть проблема завышения всех глубин. Данная проблема характерна в большей степени для контрастных разрезов, где идет чередование слоев высокого и низкого УЭС. Особенно сильно на увеличение глубинности влияет присутствие изоляторов в разрезе [37]. Модели удельного электрического сопротивления показывают резкий контраст между вмещающей породой и водоудерживающими пластами, особенно вблизи контакта двух разных геологических формаций.

По результатам двумерной инверсии данных, записанных комбинированной трехэлектродной установкой, были построены разрезы по профилям № 3 (рис. 3, а, б) и № 4 (рис. 3, в, г). На рис. 3, г показана проекция скважины № 1, располагающейся в 20 м от профиля № 4.

 

Рис. 3. Разрезы по профилю № 3: а) по параметру кажущегося сопротивления; б) по параметру УЭС; разрезы по профилю № 4: в) по параметру кажущегося сопротивления; г) по параметру УЭС. 1 – мелкообломочные супеси/суглинки; 2 – крупнообломочные супеси/валунники; 3 – известняки трещиноватые; 4 – доломиты плотные; 5 – проекция гидрогеологической скважины; 6 – обводненный слой, выделенный по данным ГИС

Fig. 3.    Section of survey line 3: a) observed apparent resistivity data; б) electrical resistivity; section of survey line 4: в) observed apparent resistivity data; г) electrical resistivity. 1 – fine detrital loamy sands/loams; 2 – large detrital loamy sands/boulder gravels; 3 – fissured limestones; 4 – dense dolomites; 5 – hydrogeological well projection; 6 – watered layer selected based on geophysical well logging data

 

Геоэлектрический разрез представлен следующими элементами: супесями и суглинками с включением мелкообломочного материала со значениями УЭС 10–300 Ом·м; супесями с включением крупнообломочного материала до валунников со значениями УЭС 600–1500 Ом·м; водоносным слоем, представленным известняками трещинноватыми со значениями УЭС 200–400 Ом·м; плотными доломитами со значениями УЭС 2000–3000 Ом·м. Среднеквадратическое отклонение между наблюденными и модельными данными составило 4 %.

На рис. 4 представлены разрезы по профилю № 4. Использование комбинированной трехэлектродной установки позволяет достичь наибольшей глубинности и разрешающей способности в отдельных геологических ситуациях [38]. Для повышения эффективности полевых наблюдений и уменьшения эквивалентности результатов инверсии наблюденных данных необходимо, по возможности, сравнивать полученные данные с данными, записанными другими типами электроразведочных установок. При сопоставлении результатов инверсии данных, зарегистрированных установками Шлюмберже и комбинированной трехэлектродной, установлено, что данные, записанные установкой Шлюмберже, имеют наименьшую глубинность. Кровля доломитов, отмеченная на рис. 4 пунктирной линией, завышена в среднем на 10 м относительно кровли доломитов, выделенной на стратиграфическом разрезе по ГИС.

 

Рис. 4. Разрезы по профилю № 4: а) по параметру кажущегося сопротивления (установка Шлюмберже); б) по параметру УЭС (установка Шлюмберже); в) по параметру кажущегося сопротивления (трехэлектродная установка); г) по параметру УЭС (трехэлектродная установка). 1 – гидрогеологическая скважина; 2 – обводненный слой, выделенный по данным ГИС; 3 – кровля доломитов

Fig. 4.    Section of survey line 4: a) observed apparent resistivity data (Schlumberger array); б) electrical resistivity (Schlumberger array); в) observed apparent resistivity data (three-electrode array); г) electrical resistivity (three-electrode array). 1 – hydrogeological well; 2 – watered layer selected based on geophysical well logging data; 3 – dolomite stratum surface (roof)

 

Итогом интерпретации разрезов по параметру УЭС с учётом геологического строения являлось выделение потенциальных зон, вероятно, содержащих подземные воды, что позволило определить несколько подходящих участков заложения поисково-разведочных скважин глубиной до 70 м. В них после бурения проведены опытно-фильтрационные работы.

Таликовые зоны по результатам проведения работ методом электротомографии выявлены не были. Подземные воды сосредоточены в зонах повышенной трещиноватости протерозойских отложений (PR2+3im).

Все три скважины во время бурения вскрыли водоносный горизонт, который в основном находится в карбонатных породах, сложенных трещиноватыми известняками. Поисковые скважины выставлялись на аномальных зонах, демонстрирующих хорошо выраженный контраст УЭС по отношению к вмещающим породам, а также с учетом элементов рельефа, не мешающих проведению буровых работ. Проектные скважины подтвердили результаты интерпретации разрезов по значению удельного электрического сопротивления.

По результатам бурения гидрогеологический разрез представлен следующими элементами:

четвертичные аллювиальные и флювиогляциальные отложения. Верхняя часть разреза – с поверхности до глубины 10 м – представлена супесями и суглинками с редкими включениями мелкообломочного материала. С 12 м вскрываются грунтовые воды, тогда же разрез сменяется на супеси с обильными включениями средне- и крупнообломочных материалов до валунников с глубиной залегания до 17 м;

слабопроницаемые отложения, представленные переслаиванием плотных известняков серого цвета и черных метапесчаников. Мощность слоя колеблется в пределах от 5 до 11 м;

водоносный комплекс трещиноватых пород имняхской свиты протерозойского комплекса отложений (PR2-3im), представлен трещиноватыми известняками от серых до голубоватых, с прослоями мусковитовых сланцев. Мощность вскрытых отложений составляет до 50 м, уровень подземных вод эксплуатационного горизонта вскрывается на глубинах от 21 до 28 м и устанавливается на глубине 10–11 м. В верхней части отложения представлены песчанистыми и слюдистыми известняками, плотными, сероцветными. К концу вскрытого интервала наблюдается потемнение до светло-коричневых, значительное количество примеси биотита, плотные. По результатам проведенных опытно-фильтрационных работ средний коэффициент фильтрации водовмещающих отложений составляет 3,2 м/сут.

Геофизические исследования скважин проводились по всем трем скважинам и представлены комплексом методов: термометрия, метод кажущегося электрического сопротивления (КС) и кавернометрия (рис. 5).

 

Рис. 5.  Сводный планшет по скважине № 1: 1 – обводненный слой; 2 – четвертичные отложения; 3 – известняки трещиноватые; 4 – доломиты трещиноватые; 5 – доломиты плотные

Fig. 5.    Summary panel for well No. 1: 1 – wet strata; 2 – quaternary deposits; 3 – fissured limestones; 4 – fissured dolomites; 5 – dense dolomites

 

По результатам термометрии температура в районе водопритока на уровне от 17 до 40 м повышалась на 1–1,5 °С, что говорит о стабильной фильтрации воды в зоне водопритока.

По полученным данным КС был выделен следующий литологический состав: песчано-глинистые валунно-галечные отложения со значениями УЭС 100–120 Ом·м; трещиноватые карбонатные отложения зоны водопритока, средние значения УЭС которых составляют 400 Ом·м; плотные карбонатные породы (доломиты) со значениями УЭС от 600 до 1000 Ом·м.

По результатам кавернометрии выделен водопроницаемый интервал, представленный разрушенными породами в скважине в интервале от 20 до 38 м.

Отмечается, что искомый обводненный слой уверенно выделяется по данным всех трех проведенных методов ГИС. Исходя из данных по КС для обводненного слоя, средние значения УЭС, равные 400 Ом·м, совпадают с результатами инверсии данных электротомографии, где средние значения УЭС для обводненного слоя составляют 300–400 Ом·м.

Заключение

По результатам выполненных инженерных изысканий методом электротомографии, а также рекогносцировочных маршрутных обследований, был выделен перспективный участок для бурения гидрогеологических скважин. Была определена перспективная на водопроявление зона, характеризующаяся низкими значениями удельного электрического сопротивления. Гидрогеологические разрезы, построенные по данным буровых работ, и данные геофизических исследований скважин были сопоставлены с электроразведочными моделями, что позволило получить достаточно полное понимание геологического строения участка работ. Проведенные исследования показали, что в комплексе с гидрогеологическими исследованиями метод электротомографии позволяет решить задачу оптимального распределения ограниченных объемов бурения и оценить геолого-гидрогеологические условия выделения интервалов водопритока.

Таким образом, в работе показаны возможности применения метода электротомографии для решения задач поиска подземных вод технического назначения на примере объекта, расположенного в Бодайбинском районе Иркутской области. При работе на подобных объектах метод электротомографии позволяет расчленять различные по составу слои, прослеживать их границы при отсутствии достаточного количества данных бурения, а также выявлять неоднородности в разрезе и обводненные трещиноватые зоны.

Sobre autores

Tuyana Shoikhonova

Irkutsk National Research Technical University

Autor responsável pela correspondência
Email: tshoikhonova@geo.istu.edu
ORCID ID: 0009-0007-1641-6085

Research Engineer

Rússia, 83, Lermontov street, Irkutsk, 664074

Mikhail Shkiria

Irkutsk National Research Technical University

Email: mshkiria@geo.istu.edu
ORCID ID: 0000-0003-1570-0002

Junior Researcher

Rússia, 83, Lermontov street, Irkutsk, 664074

Pavel Biryukov

Irkutsk National Research Technical University

Email: pbiriukov@geo.istu.edu
ORCID ID: 0009-0006-0991-2972

Research Engineer

Rússia, 83, Lermontov street, Irkutsk, 664074

Alexey Dunyushin

LLC "ECOSTANDART "Engineering solution"

Email: Dunyushin.A@ecostandard.ru
ORCID ID: 0009-0002-7142-2158

Hydrogeologist of the 1st category

Rússia, 37, Moika river embankment, Saint Petersburg, 191186

Ayur Bashkeev

Irkutsk National Research Technical University

Email: abashkeev@geo.istu.edu
ORCID ID: 0000-0002-5456-5221

Junior Researcher

Rússia, 83, Lermontov street, Irkutsk, 664074

Bibliografia

Arquivos suplementares