Особенности строения верхней части разреза Уймонской впадины Горного Алтая по данным электротомографии с использованием трехмерных программных средств

*Institute of Petroleum Geology and Geophysics of the Siberian Branch RAS, Novosibirsk, Russia; e-mail: , ORCID:

Уймонская впадина, наряду с Чуйской и Курайской, относится к самым крупным отрицательным элементам неотектонической структуры Горного Алтая и при этом до последнего времени была недостаточно изучена геофизическими методами. Она расположена в центральной части Горного Алтая, с протяженностью вдоль субширотной оси около 35 км при средней ширине 15 км. Впадина ограничена на севере Теректинским хребтом, с юга – высочайшим в Сибири Катунским хребтом, в подножье которого протекает р. Катунь. В горном обрамлении впадины регулярно происходят землетрясения с магнитудами 4 и более, также выявлены палеоземлетрясения еще больших магнитуд непосредственно на ее территории, т. е. заселенная впадина находится в зоне повышенной сейсмической опасности ( Деев, 2019 ).

В результате надвигания северного горного обрамления на впадину ее форму можно охарактеризовать как ассиметричную отрицательную структуру – полурамп ( Деев и др., 2018 ). Глубинное строение осадочного чехла и кровли фундамента впервые было получено методами электромагнитных зондирований становлением поля в зоне (ЗСБ) и вертикальными электрическими зондированиями (ВЭЗ) ( Деев и др., 2012; Санчаа и др., 2020 ). Работы выполнялись в два этапа. В 2011–2012 гг. по результатам интерпретации электромагнитных зондирований был выбран участок, на котором пробурена первая глубокая скважина. Литологостратиграфические данные этой скважины были использованы в качестве априорных при дальнейшей интепретации данных геоэлектрики. После некоторого перерыва в 2018–2019 гг. работы методами ЗСБ и ВЭЗ были продолжены. По всему объему данных ЗСБ и ВЭЗ, полученных в разные годы, построены разрезы по профилям, карта глубин до опорного высокоомного горизонта. Из-за большого шага между пунктами глубинных измерений осталось неясным строение верхней части разреза, местами осложненное выходами коренных пород баратальской свиты ( S_nbr ) на дневную поверхность в западной и центральной частях впадины. Для уточнения приповерхностного строения был привлечен метод электротомографии (ЭТ).

В качестве объекта исследования выбран участок с одними из выходов отложений синийского комплекса, расположенный в западной части впадины (рис. 1). На выбранном участке в полевой сезон 2022 г. методом ЭТ с использованием аппаратуры "Скала-48" были получены данные по трем параллельным профилям. Обработка и интерпретация полевых данных квазиплощадной съемки электротомографии выполнялись с использованием программного комплекса моделирования и инверсии DiInSo, разработанного в Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (ИНГГ СО РАН)¹ ( Мариненко, 2020; DiInSo, 2021 ). Комплекс позволяет осуществлять двух- и трехмерное моделирование и инверсию.

Цель работы – построение геоэлектрических моделей выбранного участка с использованием трехмерных программ.

Материалы и методы

Геологические данные

Кайнозойские депрессии Горного Алтая – Чуйская, Курайская и Уймонская – формировались практически одновременно и имеют схожую историю осадконакопления и неотектоническое развитие. Вместе с тем у этих впадин наблюдается ряд различий, например, по общей мощности осадочного заполнения, строению краевых частей и по отдельным характеристикам литолого-стратиграфических комплексов.

В северной и центральной части Уймонской впадины существуют значительные конусы выноса рек Курунда, Кастахта, Теректа, Маргала и Чендек. В разрезе впадины присутствуют отложения протерозоя, синия, нижнего и среднего палеозоя и кайнозоя. Фундамент Уймонской впадины представлен теректинской свитой, включающей метаморфические сланцы, песчаники, мраморы. Выше залегают отложения баратальской свиты, предположительно синийского возраста (метаморфизованные диабазы, порфириты и их туфы), которые выходят на дневную поверхность в центральной и западной частях впадины. Предположительно выходами на дневную поверхность геологи считают фрагменты анти- и синклиналей баратальской свиты.

В 2013 г. на основе анализа геоэлектрических данных был выбран участок с относительно неглубоким залеганием фундамента – практически в центре котловины. Специалистами ОАО "Горно-Алтайская Экспедиция" была пробурена первая глубокая скважина, впервые вскрывшая разрез неоген-четвертичных отложений до 400 м, и определены следующие типы отложений: деллювиальные, аллювиальные, пролювиальные, озерные, ледниково-озерные и лессовидные, обладающие неоплейстоцен-голоценовым возрастом (см. табл.) (Русанов и др., 2017). По данным исследований скважины и электромагнитных методов осадочные отложения Уймонской впадины разделяют на два литологических комплекса, которые существенно отличаются по значениям удельного электрического сопротивления. Комплекс отложений туерыкской свиты, характеризующийся низкими удельными сопротивлениями, выполнен преимущественно тонкозернистыми озерными отложениями неогенового возраста, которые накапливались в обстановках небольшого вертикального расчленения рельефа. Комплекс, перекрывающий туерыкскую свиту, обладает достаточно высокими значениями сопротивлений. Он в существенной степени сложен грубозернистыми фациями четвертичного возраста. Зафиксированные резкий скачок сопротивлений и смена фаций свидетельствуют о возобновлении неотектонических орогенных процессов в Горном Алтае. Во время активизации горнообразовательных процессов морфологическая структура впадины видоизменяется: происходит преобразование от структуры пулл-апарт в рампы и полурампы (Деев и др., 2013; 2018).

Рис. 1. Карта фактического материала исследуемого района. Карта построена с помощью программ QGIS и CorelDRAW²: 1 – современный отдел – аллювиальные галечники и пески; 2 – верхний отдел – ледниковые валунники и суглинки, водно-ледниковые галечники, аллювиальные галечники и пески, пролювиальные галечники, озерные галечники и гравийные суглинки ( а – речные; б – делювиально-пролювиальные); 3 – средний отдел – ледниковые валунники, водно-ледниковые галечники и глины, аллювиальные галечники, пески и глины, озерные галечники, суглинки, пески ( а – речные; б – озерно-болотные); 4 – нижний отдел (?) – делювиально-пролювиальные суглинки, глины, пески; 5 – палеогеновая система – Олигоцен (?), глины; 6 – кембрийская система – нижний-средний отделы (?), метаморфизованные порфириты, диабазовые порфириты, вариолиты и их туфы, филлиты, алевролиты, песчаники, кремнисто-глинистые сланцы; 7 – синийский комплекс – баратальская (?) свита, метаморфизованные диабазы, порфириты и их туфы, кварц-полевошпатовые породы, метаморфизованные песчаники, метаморфические сланцы, мраморы, кварциты; 8 – протерозойская группа (?), теректинская свита, нижняя подсвита, метаморфические сланцы, сильно метаморфизованные песчаники, мраморы;

9 – тектонические контакты: а – достоверные; б – предполагаемые;

10 – профили электротомографии; 11 – скважина № 1; 12 – контур участка работ

Fig. 1. Map of the actual material of the study area. The map was built using the QGIS and CorelDRAW programs: 1 – modern department – alluvial pebbles and sands; 2 – upper section – glacial boulders and loams, water-glacial pebbles, alluvial pebbles and sands, proluvial pebbles, lake pebbles and gravel loams ( a – river; b – deluvial-proluvial); 3 – middle section – glacial boulders, water-glacial pebbles and clays, alluvial pebbles, sands and clays, lake pebbles, loams, sands ( a – river; b – lake-marsh); 4 – lower division (?) – deluvial-proluvial loams, clays, sands; 5 – Paleogene system – Oligocene (?), clays; 6 – Cambrian system – lower-middle sections (?), metamorphosed porphyrites, diabase porphyrites, variolites and their tuffs, phyllites, siltstones, sandstones, siliceous-clay shales; 7 – Blue complex – Baratalskaya (?) entourage, metamorphosed diabases, porphyrites and their tuffs, quartz-feldspar rocks, metamorphosed sandstones, metamorphic shales, marbles, quartzites; 8 – Proterozoic group (?) – Terekta formation, lower sub-formation. Metamorphic shales, highly metamorphosed sandstones, marbles; 9 – tectonic contacts: a – reliable; b – assumed;

10 – electrotomography profiles; 11 – well No. 1; 12 – outline of the work site

Таблица. Геологический разрез скважины № 1 [по данным из ( Русанов и др., 2017 )]

Table. Geological section of well N 1 [based on ( Rusanov et al., 2017 )]

№ п/п	Описание пород	Индекс	Глубина подошвы слоя, м	Мощность слоя, м
1	Озерно-ледниковые (?) отложения: переслаивание глин, галечников, песков	lgQ III	23	23
2	Ледниковые, флювиогляциальные и аллювиальные (?) отложения нерасчлененные: переслаивание валунного галечника, гравия, валунника, песка	g, f, aQ II	207	184
3	Аллювиальные и пролювиальные (?) отложения башкаусской свиты: переслаивание гравия, валунника, валунного галечника, песка, галечника	а, pQ II bs	297	90
4	Озерно-аллювиальные (?) отложения бекенской свиты: переслаивание глины, галечника, песка галечно-гравийного	laQ I bk	339	42
5	Озерные отложения туерыкской свиты: алеврит, глина	N 1-2 tr	400	61

Методика, аппаратура и интерпретация данных электротомографии

С целью уточнения строения в зоне одного из выходов баратальской свиты в западной части впадины была выполнена съемка по трем профилям методом электротомографии (рис. 1). Электротомография – это современный метод электроразведки, который относится к методам сопротивлений. Для него разработана методика полевых наблюдений, а также технология обработки и интерпретации данных. Особенностью данного метода является использование 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 ( Бобачев и др., 1995 ).

Полевые данные ЭТ в Уймонской впадине получены с использованием аппаратуры "Скала-48", корпус которой включает в себя генератор, измеритель (избирательный милливольтметр) и коммутатор на электромеханических реле³ ( Балков и др., 2012 ). В ходе измерений использовалась установка Шлюмберже, шаг между электродами составлял 5 м. Ориентация и расположение профилей выбрано таким образом, чтобы они проходили через выходы баратальской свиты и зону перехода от них к осадочному выполнению впадины. Квазитрехмерные измерения по системе профилей позволяют осуществить 3D инверсию. Длина каждого из профилей составляет 355 м, расстояние между ними выбрано в 100 м.

Многоэлектродный электроразведочный кабель (коса) разделяется на 2 сегмента. Для последовательного увеличения протяженности профиля используется нагоняющая расстановка сегментов этого кабеля. На рис. 2 приведен пример использования двух сегментов 24-электродного кабеля и "стрелочкой" обозначается перенос первого сегмента далее по профилю для продолжения измерений ( Балков и др., 2012 ).

Рис. 2. Схема расположения двух сегментов 24-электродного электроразведочного кабеля и его подключение к станции ( Балков и др., 2012 )

Fig. 2. Layout of two segments of a 24-electrode electrical exploration cable and its connection to the station (Balkov et al., 2012)

Первичная обработка полевых данных производилась с помощью программы RiPPP. Данная программа позволяет отфильтровать данные, просмотреть таблицу с параметрами установки и соответствующее распределение кажущихся сопротивлений, проанализировать профильные диаграммы и псевдоразрез. Пример распределения кажущегося сопротивления для профиля № 3 представлен на рис. 3. Уровень значений разности потенциалов составляет более 40 мВ, сила тока в питающих линиях от 40 до 400 мА. Точность измерения напряжения – 1 %.

Рис. 3. Разрез кажущегося сопротивления по профилю № 3

Fig. 3. Section of apparent resistances according to profile N 3

Для двумерной и трехмерной инверсии использовался программный комплекс DiInSo, предназначенный для решения прямых 3D и обратных 2D/3D задач электротомографии (Версия 2.5 от 25.03.2022) ( DiInSo, 2021 ). В процессе решения обратных задач (используется схема Гаусса – Ньютона) требуется построение сетки – треугольной в случае 2D и тетраэдральной – в случае 3D. Большинство функций и настроек в данной программе заданы и выполняются автоматически (в том числе генерация сетки), но есть удобная возможность их изменять в зависимости от поставленной задачи с целью получения наиболее приемлемого результата. Так, в нашем случае мы меняли параметр регуляризации, скорость роста ячеек с глубиной и ограничивали максимальный размер ячеек генерируемой сетки.

В работе подбирались следующие значения параметра регуляризации: 1, 20, 100, 500 и 1 000. При больших значениях параметра, таких как 500 и 1 000, геоэлектрические разрезы недостаточно контрастны и контуры аномалий излишне сглажены. Наиболее контрастный разрез наблюдается при использовании параметра регуляризации, равного 1, при этом контуры высокоомной аномалии сильно "изломаны". Оптимальные результаты были получены при использовании параметров регуляризации, равных 20 и 100 с невязками 7,76 и 10,43 % соответственно. Таким образом, в качестве компромиссного значения был выбран параметр регуляризации, равный 20. Также методом подбора выбрано максимальное значение роста ячеек, равное 100, которое позволяет сгенерировать достаточно густую сетку без больших затрат на объем оперативной памяти компьютера. Следует учитывать, что при измерениях по профилям наблюдаются существенные изменения рельефа, поэтому необходимо учитывать влияние топографии при расчете инверсии, что также можно указать в настройках данного ПО DiInso.

Результаты и обсуждение

Интерпретация полевых данных электротомографии

Геоэлектрические разрезы по профилям электротомографии № 1–3 получены по результатам 2D инверсии с помощью программы DiInSo (рис. 4).

По геологическим данным баратальская свита сложена метаморфическими породами, которые характеризуются повышенными значениями удельного электрического сопротивления (УЭС). В частности, по результатам интерпретации данных электротомографии УЭС свиты получено в интервале от 1 000 до 2 200 Ом∙м и более (зелено-красная цветовая гамма). На всех трех геоэлектрических разрезах штриховой линией были выделены контуры высокоомных аномалий, которые характеризуют вертикальные срезы блока коренных пород. Вмещающие породы со значениями УЭС до 700 Ом∙м (синяя цветовая гамма) до глубин 40 м, учитывая данные скважин и исходя из значений УЭС, можно отнести к озерно-ледниковым и ледниковым отложениям, представленным галечниками, переслаиванием валунного галечника, гравия, валунника и песка.

Следует отметить, что на выбранной площади наблюдается два выхода баратальской свиты на поверхность. На расстоянии примерно 230 м от начала профиля № 1 прослеживается аномалия высоких значений сопротивлений шириной около 50 м, ее верхняя кромка находится на глубине ~5 м. Расположение профиля № 1 и локализация высокоомной аномалии в совокупности с данными геологической карты позволяют сделать предположение о возможном наличии "перемычки" между двумя выходами блоков коренных пород, т. е. их можно рассматривать как единый объект. На геоэлектрическом разрезе по профилю № 2 также наблюдается область повышенных значений сопротивлений, расположенная на расстоянии 180 м от начала профиля, шириной ~100 м и с верхней кромкой на глубине в 6–7 м. На дневную поверхность исследуемый блок выходит только в области профиля № 3, что выражено и в рельефе. Ширина высокоомной аномалии быстро увеличивается с глубиной и составляет 110 м на отметке ~40 м.

Рис. 4. Геоэлектрические разрезы по профилям № 1–3 по результатам двумерной инверсии (предполагаемые контуры выходов пород баратальской свиты отмечены черной штриховой линией) Fig. 4. Geoelectric sections along profiles N 1–3 based on the results of a two-dimensional inversion (the estimated contours of outcrops of rocks of the Baratal Formation are marked with a black dashed line)

Далее была произведена 3D инверсия квази-площадных данных ЭТ. На рис. 5 представлены вертикальные срезы по линиям трех профилей трехмерной модели.

Сравнивая разрезы 2D инверсии и вертикальные срезы, полученные по результатам 3D инверсии (рис. 4, 5), можно отметить, что высокоомные аномалии совпадают по форме, но отличаются по значениям УЭС. По результатам 3D инверсии УЭС ниже, чем на разрезах 2D инверсии. Данная закономерность встречается в различных ПО, вероятнее всего, это не связано с алгоритмом инверсии в той или иной программе, а объясняется различной геометрией задач. Объем изучаемой среды в 3D случае больше, чем в 2D, поэтому результаты получаются более сглаженными. Таким образом, значения сопротивлений, характеризующие метаморфические породы баратальской свиты, будут находиться в диапазоне примерно от 800–850 Ом∙м до >2 000 Ом∙м. Глубины залегания кровли высокоомных аномалий на вертикальных срезах по профилям № 1, 2 больше (достигают 10–15 м), чем на геоэлектрических разрезах 2D инверсии, горизонтальные размеры аномалий практически идентичны. Разрезы, приведенные на рис. 4 и 5, представлены в одной цветовой шкале с целью более достоверного сопоставления результатов.

1040-

5 Н О

5 cd d н о

S н О

Расстояние, м

Рис. 5. Вертикальные срезы трехмерной модели по линиям профилей № 1–3 (предполагаемые контуры выходов пород баратальской свиты отмечены черной штриховой линией) Fig. 5. Vertical sections of the 3D model along the lines of profiles N 1–3 (the estimated contours of the rock outcrops of the Baratal Formation are marked with a black dashed line)

Также по результатам 3D инверсии были построены горизонтальные срезы распределения УЭС на разных глубинах (рис. 6).

Анализируя горизонтальные срезы распределения УЭС на разных глубинах, можно сделать вывод, что на глубине 10 м в районе профилей № 1 и 2 не наблюдаются высоомные аномалии (рис. 6). Продолжение блока коренных пород на глубину от непосредственного выхода на поверхность наблюдается на отметках глубин от 20 м и глубже. При интерпретации площадных данных стоит учитывать, что достаточно большое расстояние между профилями в 100 м может привести к проявлению ложных аномалий и к существенному сглаживанию результата. К наиболее информативным относятся срезы, полученные на глубинах 10, 20 и 30 м, так как на предельной глубине в 40 м для всех установок электротомографии объем данных существенно ограничен.

Трехмерная модель участка по результатм 3D инверсии представлена на рис. 7.

Основываясь на анализе представленных выше результатов, для выделения исследуемого объекта был выбран диапазон сопротивлений от 850 Ом∙м до 2 000 Ом∙м. Предположение о наличии "перемычки" между двумя соседними блоками выходов коренных пород подтверждается результатами трехмерной инверсии.

Достаточно массивный объем пород баратальской свиты выходит на поверхность вблизи профиля № 3, его кровля погружается в западном направлении, где в непосредственной близости от профиля № 1 наблюдается еще один выход этих пород. Для более точных выводов необходимо уменьшить шаг между профилями примерно в 2 раза. Также в южной части рис. 7 наблюдаются менее достоверные аномалии, связанные с большим шагом между профилями и, соответственно, недостатком полевых данных.

Срез на глубине 30 м

Расстояние вдоль профилей, м

Рис. 6. УЭС на глубинах 10, 20, 30 и 40 м, построенные по результатам 3D инверсии Fig. 6. Resistivity at depths of 10, 20, 30 and 40 m plotted based on the results of 3D inversion мм 2000

Рис. 7. Результат 3D инверсии площадных данных с выделенными структурами, предположительно приуроченными к породам баратальской свиты Fig. 7. The result of 3D inversion of areal data with identified structures presumably confined to the rocks of the Baratal Formation

Заключение

В полевой сезон 2022 г. в районе выходов на поверхность пород фундамента в Уймонской впадине были выполнены измерения методом электротомографии с целью определения их геоэлектрического строения.

По результатам интерпретации данных электротомографии с использованием программ двух-, трехмерной инверсии определено геоэлектрическое строение одного из выходов пород фундамента на дневную поверхность. Было установлено погружение исследуемого объекта в западном направлении в сторону расположенного в непосредственной близости соседнего выхода пород баратальской свиты меньших размеров. Таким образом, можно обоснованно предполагать, что эти два выхода соединяются на глубине 15–20 м и, скорей всего, являются одной структурой.

В полевом сезоне 2023 г. планируется продолжение исследований. Предполагается сгущение сети наблюдений путем уменьшения шага между профилями до 50 м; увеличение площади съемки в западном направлении. С целью верификации полученных моделей по результатам инверсии будет проведено численное трехмерное моделирование для сопоставления с полевыми данными. Кроме того, для уточнения строения зоны сочленения соседних выходов баратальской свиты будут выполнены вертикальные электрические зондирования в районе профиля № 1, с разносами установки, существенно превышающими максимальный разнос метода электротомографии для повышения глубинности исследования.

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