Разведка с помощью электроэнергии: подсветить недра!

Второй год идет работа по проекту, поддержанному грантом Российского научного фонда, в Лаборатории геологии докембрия №51 Геологического института Кольского научного центра. Возглавляет группу, которая занимается глубинным электромагнитным зондированием литосферы с естественными и мощными контролируемыми источниками тока (заземленные дипольные источники, участки промышленных линий электропередачи), а также созданием геодинамических моделей напряженно-деформированного состояния земной коры восточной части Фенноскандинавского щита, Александр Шевцов, старший научный сотрудник института, кандидат физико-математических наук.

Александр Николаевич – специалист в области теории и практики глубинных электромагнитных зондирований земной коры. Его научные интересы лежат в сфере измерения и математического моделирования электромагнитных полей Земли, обработки данных электромагнитных исследований, разработки и развития методов решения прямой и обратной задач электромагнитных зондирований земной коры. В работе по гранту задействованы научные сотрудники четырех организаций – Геологического института и Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН (Апатиты), Санкт-Петербургского филиала института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (Санкт-Петербург) и Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта (Москва). Научно-исследовательскую группу от Геологического института представляют Александр Шевцов, Алексей Скороходов и Андрей Ганнибал, от Центра физико-технических проблем энергетики Севера (ЦЭС КНЦ РАН) – Василий Селиванов, Виталий Колобов, Максим Баранник и Виктор Ивонин, от Санкт-Петербургского филиала Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн - Павел Терещенко и Дмитрий Новиков, а также представитель Института Физики Земли им. О.Ю. Шмидта – Дмитрий Мягков, который занимается геодинамическими моделями, построенными на основе полученных геофизических данных. Такие модели будут описывать современное напряженно-деформированное состояние земных недр с учетом имеющейся геолого-геофизической информации и новых данных, то есть будут иметь большое практическое значение. Исследования Павла Терещенко и Дмитрия Новикова посвящены вопросам изучения ионосферы и влияния свойств волновода Земля-ионосфера на распространение сверхдлинных радиоволн-электромагнитных колебаний, используемых геофизиками для получения информации об электрических свойствах земных недр и ионосферы. Сотрудники ЦЭС КНЦ РАН в рамках проекта занимаются разработкой и применением мощных источников тока для решения геофизических задач. Половина состава научной группы – молодые ученые, имеющие опыт проведения самостоятельных исследований.

В целом проект направлен на исследование электропроводности континентальной литосферы земной коры на основе результатов предыдущих и новых экспериментов по электромагнитному зондированию. Его основные цели – разработка методов учета влияния свойств волновода Земля-ионосфера, статических искажений, горизонтальной неоднородности и анизотропии верхней коры на результаты глубинного электромагнитного зондирования литосферы. Комплексные измерения поля контролируемых источников и магнитотеллурического поля естественного происхождения позволят получить количественные оценки статических искажений с учетом горизонтальной неоднородности и анизотропии проводимости верхней коры. Измерения с управляемым источником на расстояниях свыше 200 километров позволят уменьшить неопределенность в распределении глубинной электропроводности нижней части земной коры и верхней мантии при решении обратной задачи с использованием одномерных и двумерных программ. Новые данные помогут уточнить параметры температурного и флюидного режимов литосферы Фенноскандинавского щита.

Важным элементом проекта является внедрение последних достижений в изучении хрупко-пластического поведения горных пород с учетом температурного и флюидного режимов литосферы при интерпретации геофизических данных. Для этого будет создана компьютерная модель современного напряженно-деформированного состояния земной коры с использованием известных комплексных моделей литосферы и новых данных по глубинной электропроводности. Планируется провести новые измерения с целью детализации выявленных ранее аномалий глубинной электропроводности и поперечного сопротивления. Для интерпретации данных будет использован набор программ, необходимых для решения прямых и обратных задач в электромагнитных исследованиях с контролируемым источником. Он бывает двух типов – горизонтальный электрический диполь и длинная заземленная линия. Электромагнитное поле каждого имеет сложную конфигурацию, зависящую от частоты тока в источнике. Программы используют и для решения задач с электромагнитным полем естественного происхождения – от далеких гроз (аудио-магнитотеллурическое поле) до токов, текущих в ионосфере и магнитосфере Земли (магнитотеллурическое поле). Это поле можно условно представить в виде плоской волны, падающей сверху на земную поверхность.

- Мы занимаемся исследованиями, для которых необходимы данные, полученные при помощи контролируемых источников энергии, – объясняет Александр Шевцов. – Сегодня главная задача: создать мощный источник тока, который можно подключить к длинным линиям – участкам промышленных линий электропередачи: Мурманск-Мончегорск, Никель-Мурманск. В подобной линии по расписанию задается ток нужной частоты и значительной амплитуды, а мы на больших удалениях измеряем характеристики электромагнитного поля от данного источника. Полученные сигналы предоставляют нам информацию об электропроводности земной коры, свойствах волновода Земля-ионосфера и условиях распространения электромагнитных колебаний в нем.

Но чтобы создать ток, нужен генератор. Наши коллеги-энергетики напрямую заняты его конструированием: для проведения электромагнитных зондирований планируется использовать новый мобильный генератор тока сверхнизкой частоты «Энергия-5» мощностью 50 кВт. Кроме того, в рамках проекта будут применены новые цифровые технологии управления генерируемым сигналом и система регистрации параметров генерации и силы тока в источнике. Использование нового генератора для измерений с дипольными источниками в сочетании с измерениями естественного поля и поля заземленных участков ЛЭП позволит значительно повысить точность получаемых данных. Для учета влияния свойств волновода Земля-ионосфера планируется провести синхронную обработку результатов измерений поля заземленных участков ЛЭП в ряде реперных точек.

Как же технически проходят подобные работы?

- На первом этапе мы проводим эксперименты с расстояниями от источника до точки наблюдений в пределах 25-50 км, – рассказывает Александр Николаевич. – Выезжаем в какой-то конкретный регион Мурманской области или Карелии, размещаем свой источник тока и питающие линии длиной километра по два, между озер. Водоемы используем для заземления и пускаем по проводам ток. На разных удалениях от этих источников проводим измерения электромагнитного поля на поверхности земли – двух горизонтальных электрических компонент (вдоль меридиана и перпендикулярно к нему) и трех магнитных (две горизонтальные – расположенным параллельно электрическим компонентам и одна вертикальная). Измерения, как правило, проводим от двух питающих линий, расположенных перпендикулярно друг к другу, что позволяет изучать зависимость электропроводности от направления – ее анизотропию. Таким образом, имея набор частот, на которых работает генератор, и зная время включения и выключения каждой частоты, мы определяем амплитуду тока в питающей линии, и амплитуды и фазовые сдвиги компонент электромагнитного поля источника в точках наблюдений на разных расстояниях от центра источника. И затем, с помощью программ решения обратной задачи частотного зондирования, можем провести инверсию, то есть построить модель распределения электропроводности в земле – геоэлектрический разрез, согласующийся с данными измерений.

Если представить землю однородным полупространством, то чем дальше мы находимся от источника и чем ниже частота тока в нем, тем с больших глубин мы получаем отклик в измеренном на поверхности земли поле. Чем выше проводимость пород, тем сильнее затухание поля в них и тем слабее измеряемый сигнал. Однако наибольший интерес для нас представляют как раз области неоднородности, которые характеризуются повышенными или пониженными значениями удельной электрической проводимости. Эти отличия могут быть связаны и с наличием более проводящих горных пород – полезных ископаемых (например, сульфиды, графит) или наоборот, пород с более высоким удельным сопротивлением (нефть, газ). Кроме того, на электропроводность горных пород существенное влияние оказывает наличие в породе связанных каналов, наполненных флюидами – растворами солей, проводимость которых в значительной степени зависит от температуры. Благодаря этим неоднородностям и выявляются интересующие нас особенности распределения электропроводности литосферы. Проводя измерения с несколькими расстановками питающих линий в широком частотном диапазоне, мы таким образом получаем как бы сканирование земных недр: как по глубине, так и вдоль горизонтальных профилей.

Следующий этап связан с использованием заземленных участков промышленных линий электропередачи, которые позволяют получать мощный электромагнитный сигнал на удалениях до 1000 км, а в ряде случаев отдельные частоты регистрировались и в Сибири и на Камчатке.

Подобные исследования в Геологическом институте КНЦ РАН проводят не первый год. Одним из основоположников электроразведки на Кольском полуострове и, в частности, внедрения идеи использовать линии электропередачи для геофизических целей, а также использовать контролируемые источники наряду с полями от токов, которые текут в магнитосфере или возникают в атмосфере Земли во время грозовой активности, был доктор геолого-минералогических наук, профессор Абдулхай Жамалетдинов. Под его руководством и под эгидой академика Евгения Велихова почти тридцать лет продолжался эксперимент «Хибины», в ходе которого были получены мощные сигналы от магнитогидродинамического генератора расположенного на полуострове Рыбачий, на севере Кольского полуострова. Эти сигналы измерялись на рекордно больших для того времени удалениях до 800 км. Проведена большая работа, целые коллективы исследователей приезжали со всего Советского Союза, чтобы участвовать в ней. И это один из эпохальных экспериментов, которые позволили получить достаточно надежные данные по всей площади восточной части Фенноскандинавского щита, а на их основе построить региональную карту электропроводности.

В 1980-е годы был выполнен крупный эксперимент с использованием мощной линии электропередачи постоянного тока Волгоград-Донбасс, позволивший изучить Воронежский кристаллический массив. В 1997 году методом частотного зондирования исследован Центрально-Финляндский массив. В начале 2000 годов выполнены частотные зондирования в Мончегорском рудном узле. Параллельно совместно с Полярным геофизическим институтом КНЦ РАН проводились исследования в поле антенн ВМФ.

С 2004 года начались работы по зондированию литосферы с использованием ЛЭП Мурманск-Серебрянка и Мурманск-Мончегорск, которые переросли в многолетний международный эксперимент «FENICS», проводившийся, как и многие другие, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), продолжавшемуся с 2007 по 2019 год, с подключением ЛЭП Никель-Мурманск на последнем этапе. В 2012 году проводились исследования с использований ЛЭП в Ямало-Ненецком автономном округе. В2015 году прошел эксперимент на Ковдорском массиве, когда были получены данные об аномалии электропроводности в районе Уполокши. В 2018 году выполнен эксперимент по исследованию Мурманского блока, подтвердивший его относительную однородность и высокое сопротивление (низкую электропроводность) горных пород его слагающих.

- Дело в том, что проводимость земных пород определяется большим количеством различных факторов, – говорит Александр Шевцов. – Сюда входят и обводненность, и наличие связных проводящих каналов в породе, и концентрация минеральных солей во флюидах, и температура, и состав горных пород. Вся эта совокупность параметров определяет электропроводность горных пород. И поэтому сразу сказать, что проводимость связана только с рудой или минеральным составом, мы не можем. Можем только оценить этот параметр. А уже потом, когда будет проведен комплексный анализ всей доступной информации –геофизических данных (сейсмических, гравиметрических, магнитометрических, теплового потока и другого) и с учетом геологических сведений, мы будем в состоянии выдвигать предположения о природе этой электропроводности.

Как правило, на нашей территории все подобные аномалии имеют два типа. Это, во-первых, электронопроводящие объекты, связанные с рудой. Печенгский массив, в частности, хорошо это иллюстрирует. Другой тип аномалий связан с особенностями флюидного и температурного режимов. Определение подобных аномальных областей – одна из главных задач наших исследований. Вторая задача – выяснение природы этих аномалий. Третья – выявление корреляционных зависимостей между распределением полезных ископаемых с геофизическими аномалиями. Подобный метод поможет в поисках и разведке полезных ископаемых, то есть в решении сугубо прагматических задач.

Но сейчас мы занимаемся, главным образом, экспериментальным решением проблем изучения распределения электропроводности на всей территории Балтийского щита. Мы в свое время проводили измерения, как по долгосрочному проекту c международным участием «FENICS», так и по другим, не таким крупным. Данных у нас очень много, и теперь мы осваиваем новые методы их интерпретации. Так, если раньше мы пользовались достаточно простыми способами инверсии, то есть представляли нашу среду в виде набора слоистых моделей, которые были однородны в горизонтальной плоскости, а изменялась только проводимость по вертикали, то сейчас мы освоили программы, которые позволяют решать двумерные задачи. Подходим и к расчетам для трехмерных моделей электропроводности, когда у нас решается задача в объеме. В этом случае реально использовать наши данные, полученные на большой площади, уже для более точного построения электрического разреза и по простиранию для конкретного региона. Собственную базу данных мы будем пополнять постоянно – работа по сбору и хранению данных идет активно.

Средства гранта Российского научного фонда позволят ученым продолжить исследования и, в частности, изучить аномалию поперечного сопротивления в Северной части Карелии. По плану там и намечается провести наблюдения в наступившем 2023 году, когда будет испытываться генератор «Энергия-5», создаваемый энергетиками ЦЭС КНЦ РАН. Для питания генератора приобретена передвижная электростанция мощностью сто киловатт. Будет разработано новое электронное устройство – блок управления генератором и регистрации выходного тока источника. Генератор будут доставлять на место, где устанавливаются питающие линии. С помощью блока управления ученые-энергетики будут контролировать формируемый генератором электрический ток в линии. А сотрудники Геологического института на разных удалениях от источника тока будут проводить измерения характеристик электромагнитного поля с помощью отечественных цифровых станций, включая наиболее современные, разработанные в Санкт-Петербурге (ООО «ВЕГА») с индукционными датчиками Евгения Копытенко. Они позволяют регистрировать полезные сигналы в широком диапазоне частот с синхронизацией записей сигналов в точках наблюдений и тока в линии посредством системы GLONASS, и проводить первичную обработку данных непосредственно в ходе наблюдений.

- Работа по гранту рассчитана на три года, – говорит Александр Шевцов. – 2022 год был посвящен сугубо теоретическим исследованиям, то есть интерпретации имеющихся данных, подготовкой оборудования. В 2023 году мы будем проводить тестовые наблюдения с новым генератором на Кольском полуострове и в Карелии. В 2024 году намерены организовать дополнительные измерения с линиями электропередач. Для этого потребуется поддержка всей энергосистемы Северо-Запада, на которую мы очень рассчитываем. Надеемся провести измерения по всей Карелии с привлечением большого количества измерительных станций, что позволит покрыть значительную площадь без дополнительных выездов на место, при этом получив более качественный материал: сопоставляя сигналы с разных станций, можно проводить дополнительную фильтрацию помех. Большая площадь позволит нам сравнивать не двумерные, а трехмерные разрезы, а геологам позволит уточнить имеющиеся представления о недрах нашей земли.

А вообще вся наша электроразведка похожа на разглядывание сокровища через витражную мозаику. Только мозаика у нас очень толстая и малопрозрачная, все, что там блестит в глубине, трудно рассмотреть. Но мы, с помощью электромагнитного источника, будто бы фонариком подсвечиваем эти объекты в недрах! А математика и компьютерные программы помогают решать задачу, подобную задаче художника – реставратора. Когда под верхними слоями краски, нанесенными относительно недавно, на древнем холсте, слой за слоем открывается шедевр старого мастера.