Дрейфующие льды. Система геофизических наблюдений для изучения геосреды под Арктическими регионами

Основная принципиальная проблема, которую приходится решать при проектировании геолого-геофизического исследования в Арктике состоит в том, что объект покрыт глубоким морем и, частично, многолетними льдами. Такая «двойная упаковка» сразу исключает длинный ряд наземных технологий, дистанционные исследования с летательных аппаратов и спутников, но также и многие наработки морской геофизики. Что же остается? Стандартные методы сейсморазведки в этих условиях невероятно дороги и проблематичны. Спутниковые гравиметрические и магнитометрические исследования предоставляют важную информацию о региональных структурах, однако они не имеют пока достаточного разрешения для выделения локальных неоднородностей, имеющих наибольшее практическое значение. Электромагнитные исследования с использованием естественных полей могут сохранить свое значение, однако они также не обладают необходимой детальностью. Нужны активные методы. Однако традиционные методы электромагнитных зондирований с искусственными источниками направлены на изучение общего распределения параметра сопротивления в геологической среде и становятся неэффективными при наличии такого мощного проводящего экрана как слой морской воды. Льды также делают невозможным применение некоторых морских технологий (таких как CSEM), которые все же претендуют на некоторую эффективность в море.

Понимание глубинного строения литосферы под Северным Ледовитым океаном необходимо для воссоздания этапов развития региона в геологическом прошлом, что, в свою очередь, может позволить определить условия образования месторождений полезных ископаемых и помочь обнаружить их положение. В настоящий момент тратятся большие ресурсы на проведение геофизических изысканий в полярных областях, которые существенно более затратные, чем аналогичные работы в средних широтах. Так, проведение сейсморазведочных работ требует расчистки акватории ото льда с помощью ледокола, что приводит к многократному увеличению стоимости исследований. Поэтому разработка относительно недорогих геофизических систем, базирующихся на дрейфующих льдах, которые обеспечивали бы информацию о геологическом строении среды под дном океана, является актуальной задачей.

Наш подход состоит в том, чтобы отказавшись от стандартных методик, пожертвовав их мобильностью в пользу сложного, но эффективного устройства эксперимента, обеспечить их долговременное перемещение над изучаемой средой за счет известного полярного дрейфа льда. Можно тут сослаться на опыт советских и российских СП. Собственно, мы продолжили бы традицию станций СП, дополнив традиционное изучение полярной области Земли мощной геофизической составляющей. Кстати, и организация очередных станций СП переводится на новый уровень. Согласно государственной программе, они будут основаны на использовании так называемых ледостойкой самодвижущейся платформы (ЛСП), что значительно повышает реалистичность и безопасность станций СП и нашего предложения.
Далее мы обсуждаем и анализируем определенный набор методов, каждый из которых специально устроен, модифицируется и анализируется для эффективных зондирований с дрейфующего льда на поверхности, возможно, глубокого моря. Этот комплекс, разумеется, открыт и может пополняться за счет других геофизических методов при эффективной их реализации для рассматриваемых условий. В данной работе мы отражаем очередной этап развития этого проекта.

Сейсмический метод

Проведение стандартных сейсморазведочных работ в условиях Арктики требует расчистки акватории ото льда с помощью ледокола, что приводит к многократному увеличению стоимости исследований (например, Казанин и др., 2015). Тем не менее, сейсмика является сейчас основным методом геофизическим методом на суше и на море. Поэтому мы включаем сейсмический метод в наш комплекс, подразумевая идею использовать плавучие льды для установки сейсмологических сетей, которая возникла относительно недавно. Эксперименты такого рода были проведены силами немецкого Института арктических исследований в Бремерхафене (AWI Bremerhaven), начиная с 2007 года под руководством Веры Шлиндвайн (Schlindwein et al., 2007). По ходу регистрации было записано достаточно много локальных событий из зоны спрединга, несколько региональных и телесейсмических событий, примеры регистрации которых показаны на рис. 1, взятые из работы (Läderach and Schlindwein, 2011). Можно видеть, что помимо четкой Р волны, можно достаточно надежно выделить обменную SgP волну, которую можно легко пересчитать в S волну. На рис. 2 показаны траектории миграции станцийодной из сетей, установленных на плавающих льдах, в районе хребта Гаккеля, а на рис.3 показана томографическая интерпретация наблюдений (А.Яковлев и И.Кулаков, ИНГГ СО РАН). Таким образом, этот эксперимент показал, что сети, установленные на льду, вполне способны дать полноценные записи приходящих Р и S волн, что позволяет использовать их, например, для задачи сейсмической томографии. Несмотря на столь обнадеживающие результаты специалистов из AWI, нам неизвестны аналогичные работы в этом направлении, выполненные другими организациями. Несомненно, такого рода практику необходимо развивать и в Российской части Арктики, и настоящий проект нацелен именно на то, чтобы сделать реализацию этого предложения возможным. Поскольку данные работы являются лишь первыми попытками такого рода, многие научные вопросы пока еще не изучены. Например, пока не ясно, могут ли такого рода сети регистрировать поверхностные волны от землетрясений и можно ли выделить полезные волны путем кросс-корреляции микросейсмического шума.

Рис. 1. Схема прихода сейсмических лучей на станции, установленные на льду. Справа: примеры сейсмограмм, записанных станцией на дрейфующей льдине, от телесейсмического, регионального и локального событий. Показаны также кратные волны, отраженные от дна и льда

Рис. 2. Траектории миграции сейсмических станций, установленных на дрейфующих льдах силами сотрудников AWI Bremerhaven. Начальное положение станций показано треугольниками; время их функционирования отмечено цветом. Установка производилась в районе хребта Гаккеля

Рис. 3. Томография коры в районе хребта Гаккеля в Арктике по данным сети на дрейфующих льдах, установленной AWI-Bremerhaven (А.Яковлев и И.Кулаков)

Электроразведка с контролируемым источником

Мы также предлагаем совершенно особую технологию электромагнитных зондирований, основанную на возбуждении определенной (ТМ) поляризации электромагнитного поля, что с технической стороны обеспечивается применение особого же источника поля (круговой электрический диполь – КЭД). Эта технология (зондирования вертикальными токами – ЗВТ) позволяет фиксировать тонкие аномальные эффекты в отклике за счет глубокой компенсации на физическом уровне общего проводящего фона геоэлектрического разреза, в том числе и слоя морской воды. Технология, собственно, уже достаточно широко опробована в наземном варианте на различных объектах, прежде всего, на углеводородных залежах, и показала высокую эффективность. Детальность, например, позволяет говорить об оконтуривании залежей и о рекомендациях для бурения внутри контура месторождения. Теоретические аспекты нового метода и практические результаты имеют уже обширную публикацию. Особая чувствительность метода к наличию углеводородов объясняется возбуждением областей среды над залежами нефти (ореолы). Такое возбуждение, разумеется, в разной степени происходит в любом геоэлектромагнитном методе, но наблюдается отчетливо лишь в методе ЗВТ в силу особых свойств применяемого источника поля. Фиксация ореолов, которые поднимаются высоко вверх, возможно, до самого дна бассейна, позволяет надеяться на «углеводородную» эффективность предлагаемого метода в условиях глубокого моря.

Характерной особенностью ЗВТ является особый, весьма сложный с традиционной точки зрения, источник поля. Эта логичная плата за высокую эффективность обычно указывается как недостаток, учитывая необходимость перемещать источник. Но в рамках проекта этот вопрос разрешается самым удовлетворительным образом – мы используем для перемещения дрейф льдов. Итак, мы предлагаем в комплексе для геофизических исследований с дрейфующих льдов следующую методику электромагнитных зондирований (Могилатов, Злобинский, 2016).

На льду располагается (один раз и очень тщательно) питаемая в импульсном режиме установка кругового электрического диполя. Как покаазано на рис.4, установка заземляется в центре и по концам радиальных питающих линий через отверстия во льду. Радиус КЭД (длина радиальной линии) может достигать 5-10 км (вопрос подлежит изучению). Система наблюдения складывается из электрических приемников в виде фиксированных, заземленных в воде, горизонтальных и вертикальных линий, а также из площадной, оперативно выполняемой мобильными индуктивными датчиками системы измерений магнитного поля. Интерпретация, которая должна включать одномерные и трехмерные подходы, чрезвычайно повысит свою достоверность за счет постоянно сопутствующих сейсмических зондирований, которые обеспечат надежную априорную информацию о границах.

Проект «плавающих» геофизических сетей наблюдения начинался именно с предложения о помещении кругового электрического диполя на дрейфующий лед как развитие практики станций СП. Однако было понятны проблемы с надежностью долговременной работы такой установки и со снабжением энергоресурсами (источник требует довольно мощное электрическое питание). Сейчас, согласно Госпрограмме, предполагается устраивать станции СП на основе ледостойкой самодвижущейся платформы (ЛСП), которая вмораживается в многолетний лед и дрейфует вместе с ним. Это делает проект значительно реальнее.

Рис. 4. Общий вид электрической питающей установки на арктическом льду при использовании ЛСП

Довольно очевидным и логичным выглядит дополнение электромагнитных зондирований с контролируемым источником магнитотеллурическими зондированиями. Это авторитетный и независимый метод, но также есть и дополнительные соображения в пользу его применения в предлагаемом комплексе. МТ зондирования – более глубинные и прекрасно дополняют данные зондирований становлением (ЗС), которые обеспечивают большее разрешение в верхах разреза. Второе соображение состоит в том, что использование магнитотеллурического метода, использующего природные поля, практически совсем не утяжеляет серьезную проблему с энергоресурсами. Разумным было бы дополнить МТЗ магнитовариационным методом.

Есть вопрос с размещением системы измерений. Теория и практика морских МТЗ утверждает, что оптимально измерения производить вблизи дна. Однако в нашем случае очень желательно размещать измерительную систему на льду. Математическое моделирование показывает, что в этом случае эффективность снижается, но остается достаточной (Коротаев и др., 2010). В рамках проекта этот вопрос будет изучаться.

Может быть, нужно использовать для МТЗ подготовленную для ЗС систему приемных горизонтальных и вертикальных линий (рис. 5). Совершенно новым инструментом может стать КЭД как измерительная установка для МТЗ. Для оценки возможностей применения КЭД при МТЗ, проведены численные расчеты электромагнитного поля в трехмерно неоднородной среде по методу Треффца (Плоткин, Губин, 2014). Результаты показаны на рис.6 и свидетельствуют о том, что прием сигнала с КЭД, который есть, собственно, аналог вертикальной электрической линии, является новым эффективным средством в МТЗ для исследования глубинных объектов с поверхности моря.

Выводы

В настоящее время авторы предлагают не выполнение собственно геофизического проекта, а его научно-техническое проектирование. Что касается самого геофизического эксперимента, то его народно-хозяйственный эффект, в случае исполнения, конечно же велик и касается национальных интересов. Автор (и участники проекта), безусловно, уверен в эффективности предлагаемых нетрадиционных геофизических исследований. Однако такой масштабный эксперимент должен быть тщательно подготовлен и обоснован. Необходимо выполнить сложное математическое моделирование, оценить технические параметры, провести сбор геолого-геофизической информации. Такой научно-обоснованный, подготовленный к реализации проект сам по себе имеет большое народно-хозяйственное значение, позволяя планировать, оценивать перспективы и рассматривать альтернативы.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-17-00095).

Список литературы

1. Казанин Г.С. и др., 2015. Экспедиция «Арктика-2014»: комплексные геофизические исследования в районе Северного полюса, Научно-технический сборник «Вести газовой науки», 2015, № 2 (22 ), 92-97 .

2. Коротаев С.М. и др., 2010. Изучение возможности магнитотеллурического зондирования в Северном ледовитом океане с помощью численного моделирования. Физика Земли, №9, 35-47.

3. Могилатов В.С., Злобинский А.В. ,2016. Геоэлектрический эксперимент в Арктике (проект). Геофизика, № 1, 75-80.

4. Плоткин В.В., Губин Д.И. Учет приповерхностных неоднородностей над горизонтально слоистым разрезом при магнитотеллурическом зондировании // Геология и геофизика, 2015, т. 56(7), с. 1381-1390.

5. Läderach, C. and Schlindwein, V., 2011. Seismic arrays on drifting ice floes: experiences from four deployments in the Arctic Ocean. Seismological Research Letters, 82(4), pp.494-503.

6. Schlindwein, V., Müller, C. and Jokat, W., 2007. Microseismicity of the ultraslow-spreading Gakkel ridge, Arctic Ocean: a pilot study. Geophysical Journal International, 169(1), pp.100-112.