Применение комплекса электромагнитных методов: зондирований становлением поля (ЗС), вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) позволило значительно уточнить геоэлектрическую модель Чуйской сейсмоактивной области в широком диапазоне глубин. По данным ЗС получены количественные оценки удельного электрического сопротивления (УЭС) и мощности отложений осадочного заполнения, а также УЭС верхней части палеозойского фундамента Чуйской впадины, выявлено разломно-блоковое строение, определено положение разломных нарушений. Подготовлены геоэлектрические материалы для построения подробной неотектонической схемы этой территории. Разработана методика совместной интерпретации данных ЗС и ВЭЗ. Дальнейшее развитие комплексной обработки позволит выяснить соотношение поверхностных и глубинных структур Горного Алтая, что крайне важно для понимания сценария происходящих геодинамических процессов.

Электромагнитный мониторинг. Измерения методом ЗС в режимных точках Чуйской впадины Горного Алтая

Регулярные наблюдения за изменениями УЭС геологического массива методом становления электромагнитного поля (ЗС) с соосными петлями больших размеров (500 х 500 м) выполняются в западной части Чуйской впадины. Пункты этих зондирований расположены на профилях ЗС 80-х годов прошлого столетия с сохранением момента установок предшествующих работ. Измерения начаты в 2004 году после Чуйского землетрясения и продолжаются в настоящее время. Анализ данных мониторинга осуществлялся с учётом особенностей геоэлектрического строения участка измерений.

В 2021 году в западной части Чуйской впадины проведены мониторинговые измерения в девяти регулярных пунктах (рисунок 1) квадратными совмещенными центральными петлями (Q, q). Размеры генераторной петли составляют 500 х 500 м. Размеры приемной петли: 200 х 200 м. Ток в генераторном контуре достигает 25 А.

Рисунок 1 – Схема размещения режимных пунктов в Чуйской впадине Горного Алтая

В ходе проведения работ выполнен запланированный объем полевых наблюдений в девяти режимных пунктах. В каждом из них осуществлялось по шесть циклов измерений, что позволило достичь уровня выделения сигнала порядка 1.0 10^-8 В. Кривые ЭДС становления поля, полученные в режимных точках, приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Кривые ЭДС становления поля в режимных точках

Обработка полевых данных за 2004-2021 годы подтвердила сделанные ранее выводы о происходящих процессах консолидации среды. На рисунке 3 в качестве примера показаны данные, полученные в пункте ЗС 106, за весь интервал измерений. Этот пункт расположен в пределах приподнятого блока фундамента в зоне основного разрыва Чуйского землетрясения. В течение 2011-2021 годов наблюдаются вариации, отражающие афтершоковый процесс (рисунок 3).

а)

б)

Рисунок 3 – Кривые кажущегося удельного сопротивления для ЗС 106 за весь временной интервал измерений

3.5.2 Учет анизотропных свойств геологической среды

В центральной части Чуйской впадины на участке Мухор-Тархата в 2021 году были выполнены ежегодные измерения методом зондирования становлением электромагнитного поля с использованием гальванических и индукционных установок. Применение гальванических установок позволяет определять значения коэффициента электрической анизотропии. Цель исследования 2021 года – получение вариаций электрофизических параметров горных пород (УЭС, коэффициента электрической анизотропии) по данным регулярных измерений методом ЗС на участке Мухор-Тархата для их анализа за весь период измерений (2007-2021 гг.) и оценке влияния происходящих сейсмических событий. На рисунке 4 приведена схема размещения пунктов мониторинга ЗС на участке исследования. Измерения повторяются ежегодно с 2007 года.

Рисунок 4 – Схема размещения режимных пунктов ЗС в районе пос. Мухор-Тархата

Для реализации полевых работ тремя модификациями метода ЗС с гальваническими и индуктивными установками предложена методика измерений. В качестве генераторной конструкции использована заземленная линия АВ длиною 910 м., заземляющими электродами служили обсадные колонны самоизливающихся скважин (скважины 1 и 2). Комплексные измерения выполнялись с использованием следующих установок: а) установка АВ – q (q – приемный одновитковый контур квадратной формы со стороной 200 м); б) установка АВ-MN (MN – заземленная электрическая линия длиной 200 м).

На рисунках 5 и 6 приведены полевые кривые ЭДС 2021 года установки AB-q и AB-MN, которые характеризуют геоэлектрическую модель в каждом пункте ЗС.

Рисунок 5 – Полевые кривые ЭДС 2021 г., установка AB-q

Рисунок 6 – Полевые кривые ЭДС 2021 г., установка AB-MN

Выполнена обработка и интерпретация данных ЗС. На рисунке 7 представлен пример интерпретации данных ЗС1 с соосной установкой, а на рисунках 8 и 9 результат интерпретации ЗС 1 и 4 с установкой AB-MN.

Регулярные наблюдения за вариациями УЭС с установкой «соосные петли» осуществляются в двух пунктах ЗС 1 и 4. Из сопоставления временных рядов продольной проводимости 2-го проводящего слоя разреза с характеристиками сейсмичности получено, что в периоды сейсмических активизаций 2008-2009 гг. и 2012-2013 гг. наблюдалась прямая корреляция изменения продольной проводимости с показателями сейсмической активности.

Рисунок 7 – Пример интерпретации данных ЗС1 с соосной установкой

В результате интерпретация данных ЗС с установкой AB-MN в шести пунктах (ЗС 1, 2, 3, 4, 5, 6) определены значения коэффициента электрической анизотропии для каждого слоя геоэлектрической модели. По результатам интерпретации данных 2007-2021 гг. выделена область (пункты ЗС 1, 2, 5, 6) с максимальными значениями коэффициента электрической анизотропии (λ). Эта область приурочена к зоне разлома, выявленной ранее по результатам площадных измерений методом ЗС с соосной установкой. В 2021 г. значения коэффициента электрической анизотропии в выявленной области в среднем сопоставимы со значениями 2020 г., однако меньше на 10-12%, по сравнению со значениями 2019 года.

Рисунок 8 – Пример интерпретации данных ЗС1 с установкой AB-MN

Рисунок 9 – Пример интерпретации данных ЗС4 с установкой AB-MN

Из сопоставления значений коэффициента анизотропии для выделенной области с показателями сейсмической активности (количество сейсмической энергии и число землетрясений) за период 2014-2019 гг. выявлена их хорошая корреляция (рисунок 10).

Рисунок 10 – Сопоставление значений коэффициента электрической анизотропии с показателями сейсмической активности

Кроме того, максимальные вариации коэффициента электрической анизотропии по данным ЗС 1, 2, 5 и 6, пункты которых расположены в зоне влияние разлома, подтверждают его активность. Следовательно, мониторинг электрофизических параметров в зоне влияния разлома с использованием коэффициента электрической анизотропии позволяет следить за степенью его активности.

Из анализа данных электромагнитного мониторинга 2014-2021 гг. на участке Мухор-Тархата, а также геологических и сейсмологических данных следует, что временные изменения (вариации) анизотропии λ на участке исследования в период 2014-2021 гг. указывают на продолжающийся афтершоковый процесс Чуйского землетрясения 2003 года. Установлено, что вариации коэффициента электрической анизотропии на порядок выше, чем вариации УЭС. Кроме того, значимые вариации λ наблюдаются для первого и третьего горизонтов, в то время как максимальные вариации УЭС получены для второго горизонта, т. е. наблюдается не только разная чувствительность параметров к сейсмическому воздействию, но и каждый из них характеризует свой интервал разреза.

Полученные геоэлектрические характеристики разреза методами ВЭЗ в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения

С целью изучения геодинамических процессов, связанных с разрушительным землетрясением 2003 года, в полевом сезоне 2021 года в очередной раз были проведены измерения методом вертикальных электрических зондирований (ВЭЗ) и электротомографии (ЭТ) в районе западной части Чуйской впадины (геодинамический полигон «Бельтир»).

На рисунке 11 приведена схема размещения пунктов ВЭЗ и профилей ЭТ на местности. В 2021 году были выполнены регулярные пункты ВЭЗ: профиль по правому берегу р. Чаган (ВЭЗ № 9-12), круговой ВЭЗ на левом берегу в зоне видимых сейсмических нарушений (ВЭЗ № 13-16), крестовый (ВЭЗ № 17-18), ВЭЗ № 29, а также крестовый (ВЭЗ № 19-20) в зоне отсутствия нарушений. Методом ЭТ выполнены повторные измерения по профилям № 1-3, а также новый профиль № 14

Рисунок 11 – Схема размещения пунктов ВЭЗ и профилей ЭТ в районе села Бельтир

Результаты по данным ВЭЗ

Для полигона «Бельтир» получена пятислойная модель: в самой верхней части присутствуют два маломощных низкоомных слоя, далее мощный слой аномально высокоомных отложений (УЭС более 3000 Ом∙м), прослеживаемый практически на всех кривых ВЭЗ участка, эти породы в соответствии с априорной информацией отнесены к многолетнемерзлым. На опорном геоэлектрическом горизонте (УЭС более 4500 Ом∙м) залегает мощный слой низкоомных пород, скорее всего более тонкослоистых и обводненных.

На рисунке 12 приведен пример полевой кривой ВЭЗ за 2021 год и геоэлектрические модели, полученные по результатам решения обратной задачи в комплексе ZondIP.

На рисунке 13 приведена вариация кривых ВЭЗ (ПК 13) за весь период наблюдений, начиная с 2004 года.

Рисунок 12 – Кривая ВЭЗ номер 10

Рисунок 13 – Кривые ВЭЗ № 13 за все годы измерений

По итогам интерпретации данных ВЭЗ за 2017-2021 гг. была построена трехмерная модель с использованием пакета Zond (рисунок 14).

Рисунок 14 – Трехмерная геоэлектрическая модель по данным ВЭЗ в долине р. Чаган

На рисунке 14 показана трехмерная геоэлектрическая модель, линии профилей и пункты ВЭЗ. Модель характеризует общее строение участка исследования. Верхняя часть разреза неоднородна, хорошо видны зоны распространения многолетнемерзлых пород с УЭС выше 3500 Ом∙м (красная цветовая гамма) и мощный низкоомный горизонт, распространенный по всей площади (оттенки синего и зеленого).

Таким образом, по комплексу данных метода постоянного тока (ВЭЗ) с учетом разломной тектоники в западном замыкании Чуйской впадины, построена трехмерная модель участка исследования (использована адаптированная программа моделирования, инверсии, визуализации Zond). Получены геоэлектрические параметры крупной разломной зоны, разделяющей тектонические блоки. Пополнена база данных.

Уточнено и наглядно представлено строение долины реки Чаган в западном замыкании Чуйской впадины. По данным электротомографии построен геоэлектрический разрез верхней части осадочного чехла до глубин в 75-80 м. На глубинных геоэлектрических разрезах по данным ВЭЗ по резкому изменению мощности осадков в двух соседних пунктах выделено разломное нарушение типа сброса, по которому северо-западный блок был приподнят на 80-100 м относительно юго-восточного. В распределении электропроводности по данным электротомографии это же разломное нарушение соответствует относительно низкоомной зоне, разделяющей более высокоомные участки разреза; оценена ширина разломной зоны, составляющая ~ 110 м.

Электрическая анизотропия разреза была оценена на основе решения обратной задачи. Были рассчитаны коэффициенты электрической анизотропии (λ) за все годы наблюдений после сильного сейсмического события для крестовых ВЭЗ как отношения суммарных продольных проводимостей вдоль и поперек выбранного направления.

Таблица 1 – Коэффициенты анизотропии для кругового ВЭЗ 13-16 в зоне трещин

	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012
Λ13-14	4.87	1.19	0.79	0.74	0.78	0.86	0.67	0.60	0.80
Λ15-16	2.04	1.05	0.90	0.94	1.06	0.90	0.81	0.96	0.86
	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021
Λ13-14	0.67	0.62	0.66	0.74	0.91	0.84	0.77	0.84	0,86
Λ15-16	1.00	0.75	0.63	0.70	0.71	0.9	0.83	0.96	1,1

Таблица 2 – Коэффициенты анизотропии для крестового ВЭЗ 17-18 в зоне трещин

	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012
Λ17-18	1.84	1.36	1.20	1.62	1.50	1.36	1.40	1.35	1.33
	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021
Λ17-18	1.27	1.18	0.93	0.99	1.04	0.81	–	0.74	–

Таблица 3 – Коэффициенты анизотропии для крестового ВЭЗ 19-20 вне зоны трещин

	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012
Λ19-20	0.99	1	1.02	1.02	1.05	1.01	1.02	1.04	1.03
	2013	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021
Λ19-20	1.02	1.07	0.94	0.97	1.05	0.92	–	0.84	–

В таблицах 1-3 приведены значения Λ за все годы измерений. Анализ данных (таблица 1) свидетельствует о том, что в районе пункта ВЭЗ 13-16, расположенного в зоне развития трещин, со временем происходит уменьшение коэффициента электрической анизотропии. Вне зоны трещин (таблица 3) коэффициент анизотропии имеет стабильное значение близкое к единице, таким образом, анизотропия и её вариации здесь фактически отсутствуют. На рисунке 15 приведены графики значений коэффициентов анизотропии за весь период инструментальных наблюдений.

Рисунок 15 – Графики значений Λ за все годы измерений

По данным многолетних измерений методом ВЭЗ построены контурные диаграммы распределения ρk для кругового ВЭЗ № 13-16. На рисунке 16 приведены диаграммы за 2004 – 2021 годы.

Для однородного изотропного полупространства изолинии ρk по форме соответствуют окружностям, для реальной геологической среды эта форма может нарушаться из-за анизотропии электрических свойств.

Анализ диаграмм ρk, полученных в области сейсмогенных трещин показал, что в первые годы измерений наибольшие значения кажущееся сопротивления определены для ВЭЗ № 13 (установка ориентирована поперек направления распространения трещин). Наименьшие значения сопротивления соответствуют ВЭЗ № 14, азимут установки которого располагался вдоль простирания трещин. Изолинии ρk образуют эллипс, и его оси меняют свое положение с течением времени, кроме того, изменяется величина отношения этих осей, т.е. анизотропные свойства среды. Анизотропия массива уменьшилась, что свидетельствует о процессах консолидации массива горных пород в области трещин, приповерхностные трещины залечились, и среда стала более однородной.

ρk

Рисунок 16 – Контурные диаграммы для кругового ВЭЗ в зоне видимых трещин