Строение участков с выходами пород фундамента в Уймонской впадине Горного Алтая по данным наземной электроразведки с использованием трехмерного моделирования

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Горный Алтай как часть внутриконтинентального орогена характеризуется присутствием горных хребтов с высотами, достигающими 4,5 тыс. м, и многочисленных внутригорных рамповых впадин. Эта горная страна относится к территориям высокой сейсмоопасности, что определяется наличием сейсмогенерирующих структур, инициирующих землетрясения разной магнитуды, включая крупные, разрушительные [1]. В связи с этим актуальны исследования строения впадин для выделения активных разломов: внутривпадинных и на границах с горным обрамлением. Кроме того, практически в каждой из впадин разведаны либо прогнозируются месторождения полезных ископаемых, а также присутствуют полные разрезы континентальных осадочных отложений кайнозоя, важные для изучения четвертичной истории геологического развития всего региона. Уймонская впадина является одной из крупнейших заселенных межгорных впадин Горного Алтая, но при этом наименее изучена.

Полевые работы в Уймонской впадине методами наземной электроразведки с контролируемыми источниками были начаты в 2011 г. и включали измерения методами зондирований становлением поля (ЗСБ) и вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ). Ранее на этой территории геофизические измерения не проводились, что отчасти связано с географическим положением впадины, её труднодоступностью. Уймонская впадина, в отличие от Чуйской и Курайской депрессий, находится в стороне от основной дорожной магистрали – Чуйского тракта, и добраться туда можно через сложный горный перевал. По результатам интерпретации этих методов получены первые представления о её глубинном строении [2]. Местоположение глубокой скважины с забоем в 400 м, впервые пробуренной на территории впадины в 2013 г., было выбрано по данным ЗСБ. Скважиной были вскрыты неоген-четвертичные отложения, в которых неоген представлен верхнемиоценовыми тонкозернистыми озерными отложениями туерыкской свиты, обладающей низкими удельными электрическими сопротивлениями (УЭС). Верхний перекрывающий комплекс мощностью в 300 м сложен грубозернистыми фациями четвертичного возраста (бекенская, башкаусская свиты, озерно-ледниковые отложения), характеризующимися высокими значениями сопротивлений [3]. Получено очень хорошее согласование стратиграфических границ литологических комплексов по скважинным данным с результатами ЗСБ. Невязка между границами, полученными двумя разными методами, составила менее 5 % [4].

После некоторого перерыва электроразведочные работы были возобновлены в 2018 г. с использованием метода ЗСБ с размером генераторной петли 500×500 м и добавлением электротомографии (ЭТ) на нескольких участках впадины для изучения приповерхностных структур. По результатам интерпретации всего объема данных ЗСБ и ВЭЗ за разные годы были построены глубинные геоэлектрические модели впадины, результаты представлены в нескольких публикациях [4, 5].

Строение верхней части депрессии осложняется выходами на дневную поверхность коренных пород фундамента, представленных метаморфическими породами ордовикского возраста (sPR₂(O₁)t). На участках выходов этих пород в полевые сезоны с 2020 по 2023 гг. были выполнены измерения методом ЭТ по системе профилей в западной и центральной частях Уймонской впадины. В текущей статье исследуются измерения, приуроченные к выходам пород фундамента в западной части депрессии (рис. 1). Строение таких участков до сих пор было непонятно. Можно рассмотреть несколько предположений образования выходов коренных пород. По мнению специалистов-геологов, это либо обрывки верхушек антиклиналий, сдвинутые мощными тектоническими движениями, либо верхняя часть антиклинальных складок кровли фундамента, поднятая на дневную поверхность в местах его относительно неглубокого залегания во время резкой активизации орогенных процессов в четвертичном периоде, которая образует внутривпадинную перемычку [6].

Первые модели строения участков с выходами коренников в западной части впадины представлены в работе [7] на основе интерпретации данных ЭТ с использованием двух-, трехмерной инверсии данных. В рамках данного исследования с целью верификации и уточнения строения таких участков будет представлена геоэлектрическая модель по данным ЭТ, обоснованная трехмерным численным моделированием, и варианты её согласования с глубинными геоэлектрическими моделями. На схеме фактического материала показаны измерения методами электроразведки в Уймонской впадине, включающие системы профилей ЭТ на участках выходов пород фундамента и ближайшие к ним пункты ЗСБ (рис. 1). Схема построена с использованием информационной системы QGIS. Полевые данные и результаты интерпретации ЗСБ будут привлечены для обоснования моделей ЭТ и общего геоэлектрического строения участков исследования.

 

Рис. 1. Обзорная схема на подложке рельефа и геологической карты (1:200000) [6, 9] западной части Уймонской впадины, созданная в QGIS

Fig. 1. Overview scheme on the underlying relief and geologic map (1:200000) [8, 9] of the western part of the Uimonskaya depression, created in QGIS

 

В настоящее время в Уймонской впадине стремительно развиваются туристические направления, с чем связано строительство инфраструктуры (гостиниц, баз отдыха, кемпингов и пр.). Поэтому актуальны поиски и разведка месторождений строительных материалов и доразведка имеющихся. Востребовано изучение строения верхней части разреза в связи с картированием водоносных горизонтов для бурения новых гидрологических скважин. Необходимо также отметить, что во впадине прогнозируется большеобъемная золотоносная россыпь [8], что требует обоснования геофизическими технологиями. Кроме того, актуальность исследования заключается в решении фундаментальных проблем – построенные модели с использованием комплекса методов электроразведки (ЗСБ, ВЭЗ, ЭТ) позволят продвинуться в понимании геологических этапов формирования впадины, что важно для задач геодинамики, структурной геологии, неотектоники всего Горного Алтая.АППАРАТУРА, ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА И

РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ДАННЫМ ЭЛЕКТРОТОМОГРАФИИ

Для уточнения строения приповерхностных особенностей, описанных выше, был использован метод ЭТ. Особенностью данного метода является применение многоэлектродной аппаратуры, в которой электрод может быть как питающим, так и приемным при многократных измерениях.

Такая методика значительно увеличивает производительность и разрешающую способность исследований методом сопротивлений. Высокая плотность наблюдений по профилю позволяет производить двумерную интерпретацию, то есть изучать более сложные модели сред, отличных от горизонтально-слоистых, коим является исследуемый выход пород фундамента.

Полевые данные ЭТ получены с использованием современной аппаратуры «Скала-48», разработанной в ИНГГ СО РАН. Была выбрана установка Шлюмберже, 48 электродов, так как она обеспечивает одинаково хорошую чувствительность к вертикальным и горизонтальным границам [10], шаг между электродами составлял 5 м. Измерения выполнены по четырем параллельным профилям (1, 2, 3, 4) с использованием нагоняющей расстановки (roll along) для нужной длины профиля [10] и двум секущим (5, 6) с одной расстановкой электродов.

Рис. 2. 3D-инверсия полевых данных

Fig. 2. 3D inversion of field data

 

Результаты инверсии данных ЭТ позволяют определить геоэлектрическое строение участков верхней части разреза до глубины около 50 м. На первом этапе интерпретации была получена геоэлектрическая модель коренника на основе трехмерной инверсии данных (рис. 2). Инверсия была выполнена с учетом рельефа, который может влиять на результаты исследований [11, 12] в программе DiInSo (Версия 2.5 от 25.04.2023) [13, 14]. В процессе решения обратных задач (используется схема Гаусса–Ньютона) требуется построение тетраэдральной сетки, в отличие от широкоизвестной программы Res3dinv, в которой используется прямоугольная [15, 16]. Поскольку межгорные впадины имеют сложное геоэлектрическое строение, модель точнее разбивается тетраэдральной сеткой. В программе есть удобная возможность изменять параметры инверсии в зависимости от поставленной задачи с целью получения наиболее приемлемого результата, например, что в конкретном случае важнее – установить геометрию объекта или его сопротивление. Так, в нашем случае мы меняли параметр регуляризации, скорость роста ячеек с глубиной и ограничивали максимальный размер ячеек генерируемой сетки. Как известно, обратная задача некорректна и может иметь множество решений, поэтому для заверки полученных моделей применяют численное моделирование, как двумерное, так и трехмерное, как, например, в работах [17, 18]. Таким образом, следующим этапом интерпретации было численное моделирование. Общая геометрия объекта оценивалась по результатам трехмерной инверсии и космоснимка; размеры выхода коренных пород, углы наклона предположительных его границ вблизи профилей 1, 2 и 3 оценивались по результатам двумерной инверсии полевых данных. Исходя из привязки к геологическим данным породы фундамента представлены метаморфическими образованиями ордовикского возраста [19], характеризующимися повышенными значениями удельного сопротивления (1000–2000 Ом∙м) по сравнению со вмещающими породами осадочного заполнения впадины (до 700 Ом∙м), представленными озерно-ледниковыми и ледниковыми отложениями – валунным галечником, гравием, валунником и песком [7]. Основываясь на вышесказанном, при формировании моделей были выбраны следующие значения УЭС: для выхода коренных пород – 2000 Ом∙м, для вмещающей среды – 588 Ом∙м.

Математическое моделирование, выполненное также с использованием программы DiInSo, осуществляется в трехмерной области, которая задана с помощью тетраэдральной сетки. В выбранном программном комплексе нет встроенной функции генерации сетки, таким образом, данный шаг выполняется в сторонней программе. Программный комплекс DiInSo поддерживает форматы следующих генераторов сеток: GiD, SALOME, NetGen и Gmsh, пользователь может выбрать одну из перечисленных выше программ по собственным предпочтениям. Для геометрического построения модели с последующей генерацией конечно-элементной сетки в данной работе применялась программа GiD [20]. В качестве примера на рис. 3, а показана модель, в которую входит объект исследования во вмещающей однородной среде с линией размещения электродов по профилю 3 (рис. 3, а) и отдельно сам объект (коренные породы) с сеткой (рис. 3, б). Мелкость разбиения задавалась следующим образом: на линии электродов – 2, на поверхностях и объеме объекта – 10 и в среде – 50. Под мелкостью разбиения понимается размер элементов (линий, поверхностей, объемов). Размер здесь – это средняя длина ребра соответствующего элемента сетки.

 

Рис. 3. а) модель № 1, построенная в программе GiD; б) фрагмент объекта-коренника с тетраэдральной сетью разбиения с мелкостью 5

Fig. 3. a) model no. 1 built in GiD program; б) fragment of a basement rock object with a tetrahedral partitioning network with fineness 5

 

Прямая задача рассчитывалась для каждого из профилей в отдельности с целью уменьшения времени расчета. В результате решения прямой задачи формируются файлы для проведения 2D- и 3D-инверсии. Геоэлектрические двумерные и трехмерные разрезы модельных данных далее сопоставляются с результатами двумерной и трехмерной инверсий полевых данных. На данном этапе исследования сравнение осуществляется качественным путем, визуальной оценкой. В будущем планируется выполнение численного сравнения результатов двумерной инверсии модельных и полевых данных.

На первом этапе моделирования было рассмотрено несколько моделей для верификации углов наклона боковых границ выхода коренных пород в области третьего профиля, по результатам которого были сделаны следующие предположительные выводы: боковые грани объекта наклонные и в районе профиля 3 угол наклона составляют с южной стороны 50°, а с северной – 25°. В области размещения профилей 1 и 2 границы коренника субвертикальные.

Также высокоомная аномалия имеет направленность в западном направлении, где в непосредственной близости расположен выход коренных пород меньшего размера. Таким образом, можно сделать предположение о том, что эти два выхода пород фундамента представляют собой одну структуру. Для подтверждения данного факта требуются дополнительные полевые измерения.

В рамках данной статьи моделирование осуществлялось для оценки вертикального размера исследуемого объекта, учитывая описанные выше выводы.

Общими параметрами двух моделей являются: УЭС вмещающей среды – 588 Ом·м, УЭС объекта (коренника) – 2000 Ом·м; размер области моделирования – 1400×1400×350 м; углы наклона боковых границ объекта в районе профиля 3–50°, а для северной границы – 25°, в областях 1 и 2 профилей углы субвертикальные.

Для осуществления инверсии модельных данных использовались следующие одинаковые параметры: ограничение максимального размера ячейки – 100, ограничение глубины исследования – 45 м, добавлено усиление контрастности.

Изменяющимся параметром является вертикальный размер исследуемого объекта.

Для Модели № 1 вертикальный размер объекта составляет 50 м. Для Модели № 2 вертикальный размер объекта составляет 200 м. Результаты трехмерной инверсии модельных данных представлены на рис. 4, а, б.

 

Рис. 4. Результат 3D-инверсии модельных данных, выделен объем среды, с диапазоном УЭС>900 Ом·м: а) модель 1; б) модель 2

Fig. 4. Result of 3D inversion of model data, the volume of the medium is highlighted, with a range of electrical resistivity >900 ohm·m: a) model 1; б) model 2

 

Анализируя получившиеся результаты трехмерной инверсии для двух разных моделей, можно отметить ряд отличий. Так, для модели № 2 выделяемый объем среды в районе профилей 2 и 3 получился больше относительно результата инверсии для модели № 1 с учетом одинакового диапазона УЭС, что качественно имеет большую согласованность с трехмерной инверсией полевых данных (рис. 3). Также в области профиля 3 для модели № 2 наблюдаемая высокоомная аномалия более уверенно прослеживается на глубину, что визуально больше согласуется с инверсией полевых данных.

Исходя из полученных результатов и качественного их сопоставления с полевым данными можно сделать вывод, что боковые грани объекта наклонные и в районе профиля 3 составляют угол наклона с южной стороны 50°, а с северной – 25°. Самая северная граница объекта имеет более пологий угол, скорее всего, есть соединение с более северным выходом коренных пород. Для выяснения этого факта требуются дополнительные полевые измерения. В области размещения профилей 1 и 2 границы коренника субвертикальные. Кроме того, вертикальный размер объекта-коренника больше глубины исследования методом ЭТ, и можно считать, что это не подповерхностная неоднородность, имеющая небольшие размеры, а объект, уходящий на глубину более 45 м.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Исходя из полученных трехмерных моделей метода ЭТ еще раз были пересмотрены результаты интерпретации данных методов ВЭЗ и ЗСБ, полученные на территории Уймонской впадины в 2011–2019 гг. [1, 5]. По этим данным глубина до фундамента впадины в западной части в среднем достигает 600–700 м. Единственная глубокая скважина в Уймонской впадине, пробуренная в 2013 г. на основе анализа геоэлектрических данных до глубины в 400 м, вскрывшая разрез неоген-четвертичных отложений, была остановлена в отложениях туерыкской свиты неогена [3]. Скважинные данные дополнительно обосновывали полученные геоэлектрические модели ЗСБ и ВЭЗ.

 

Рис. 5. Геоэлектрические разрезы по профилям ЗСБ и ВЭЗ (западная часть Уймонской впадины)

Fig. 5. Geoelectric sections along the transient electromagnetic (TEM) and vertical electric soundings (VES) profiles (western part of the Uimonskaya depression)

 

Рассмотрим полученные ранее геоэлектрические разрезы по двум профилям ЗСБ и одному профилю ВЭЗ (рис. 5). Эти разрезы подтверждают интенсивные тектонические движения в четвертичный период, которые привели к значительной складчатости фундамента и осадочного заполнения, амплитуды складок достигают 500 м и более. Довольно большой шаг между пунктами ВЭЗ и ЗСБ в 2–3 км не позволяет достоверно выявлять локальные структурные особенности. На всех разрезах пунктирной линией показано предполагаемое продолжение коренников, наблюдаемых на дневной поверхности, в глубину.

 Сопоставление разрезов по профилям ЗСБ 1 и ВЭЗ 1 демонстрирует принципиальное совпадение интерпретации двух разных методов электроразведки на постоянном и переменном токе. Вместе с тем нельзя не учитывать неоднозначность решения обратной задачи, практически всегда существуют эквивалентные решения в рамках выбранной погрешности подбора. Для того чтобы подтвердить одну из версий, являются ли выходы коренников локальными приповерхностными неоднородностями или это выходы на дневную поверхность непосредственно кровли складки фундамента, была выполнена дополнительная интерпретация данных ЗСБ по профилю 2.

 

Рис. 6. Кривая ВЭЗ и геоэлектрическая модель

Fig. 6. VES curve and geoelectric model

 

В полевой сезон 2023 г. были взяты образцы рассматриваемого объекта. Породы можно отнести к метаморфическим образованиям (зеленосланцевому комплексу). Кроме того, выполнены дополнительные измерения методом ВЭЗ непосредственно у северной границы объекта. Кривая ВЭЗ и геоэлектрическая модель представлены на рис. 6. Модель характеризуется переслаиванием высокоомных (500–800 Ом·м) и более низкоомных (150–250 Ом·м) отложений общей мощностью 200 м, которые по геологическим данным можно отнести к осадочным породам четвертичного возраста: озерно-ледниковым (переслаивание глин, галечников, песков), ледниковым, флювиогляциальным и аллювиальным (переслаивание валунного галечника, гравия, валунника, песка). Исходя из этого, можно сделать вывод, что углы наклона боковых границ с северной стороны объекта достаточно крутые.

На основе результатов метода ЭТ можно пересмотреть геоэлектрическую модель в пункте ЗСБ 1119, который расположен наиболее близко к рассматриваемому объекту. Из двух эквивалентных геоэлектрических моделей с одной и той же погрешностью (2,99 %), где УЭС и мощности слоев остались прежними, но глубина до кровли фундамента в одной модели определена на глубине 886 м, а в другой – на 186 м, выбрана модель с глубиной до кровли фундамента на глубине 186 м. Эквивалентная вторая модель обоснована присутствием небольших характерных искажений кривой ЗСБ на поздних временах, которые обусловлены неоднородностью опорного горизонта (фундамента), для первой модели мы пытались их учесть введением 6-го проводящего горизонта. Вариант обновленного геоэлектрического разреза по второму профилю ЗСБ представлен на рис. 7.

 

Рис. 7. Геоэлектрический разрез по профилю ЗСБ

Fig. 7. Geoelectric section along the TEM profile

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенных работ представлена геоэлектрическая модель участка в Уймонской впадине с выходами коренных пород на дневную поверхность по данным ЭТ, обоснованная трехмерным численным моделированием. Установлено, что вертикальный размер объекта-коренника больше глубины исследования метода ЭТ, и можно считать, что это не подповерхностная неоднородность, имеющая небольшие размеры, а объект, уходящий на глубину более 45 м с наклонными боковыми границами. Далее рассмотрены варианты согласования разноглубинных геоэлектрических моделей по данным ЭТ, ЗСБ и ВЭЗ. Совместный анализ результатов всех использованных методов позволяет верифицировать строение верхней части разреза участка исследования и предложить ещё один вариант его глубинного строения.

Учитывая тот факт, что в западной части впадины присутствуют еще несколько аналогичных участков, вытянутых цепочкой с севера на юг (рис. 1), вполне вероятно предположить, что наблюдаемые на дневной поверхности выходы коренных отложений фиксируют видимую часть протяженной внутривпадинной перемычки.

На выходах пород фундамента, расположенных южнее участка исследования, рассмотренного в этой статье, также проводятся исследовательские работы методом ЭТ. Совместный анализ всего объёма данных метода ЭТ, возможно, заставит пересмотреть структурные и геодинамические особенности строения и кайнозойской эволюции Уймонской котловины.

Полученные результаты могут быть интересны специалистам-геологам в решении фундаментальных проблем, связанных со строением и геодинамикой алтайских впадин. Практическая значимость изучения строения верхней части разреза востребована в связи с картированием водоносных горизонтов для бурения новых гидрологических скважин, которых крайне не хватает местному населению, а также для поиска и разведки прогнозируемых месторождений рудных полезных ископаемых, строительных материалов.

 БЛАГОДАРНОСТИ:

Работа выполнена в рамках темы НИР FWZZ-2022-0025 Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук.

The work was funded by project FWZZ-2022-0025 of the A.A.Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences.

Об авторах

Нина Николаевна Неведрова

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук

Email: NevedrovaNN@ipgg.sbras.ru
ORCID iD: 0000-0003-3210-5248

доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник

Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3

Зоя Ярославовна Кузина

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук

Email: z.kuzina@g.nsu.ru

инженер

Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3

Айдиса Михайловна Санчаа

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: SanchaaAM@ipgg.sbras.ru
ORCID iD: 0000-0002-4523-6661

кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник

Россия, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3

Список литературы

Дополнительные файлы