Н.А. Пальшин, Е.Д. Алексанова, А.Г. Яковлев, Д.В. Яковлев

УДК 550.837.211
Н.А. Пальшин1,2, Е.Д. Алексанова1, А.Г. Яковлев1,3, Д.В. Яковлев1
ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
МАГНИТОТЕЛЛУРИЧЕСКИХ ЗОНДИРОВАНИЙ В ОСАДОЧНЫХ
БАССЕЙНАХ
Аннотация. Метод магнитотеллурических (МТ) зондирований развивался в СССР, начиная с 60-х
годов, главным образом как метод изучения строения осадочных бассейнов, но в последние десять-двадцать
лет большая часть академических исследований и, соответственно публикаций, была сосредоточена на
глубинных исследованиях земной коры и верхней мантии. Безусловно, большая глубинность метода, и
относительная простота регистрации длиннопериодных вариаций делают МТ зондирования эффективным
инструментом изучения глубинного строения. Тем ни менее, исследования
осадочных бассейнов
выполнялись и выполняются в больших объёмах в рамках коммерческих проектов, но их результаты
малоизвестны академической общественности. За последние годы МТ зондирования только усилиями ООО
«Северо-запад» были выполнены в десятках тысяч пунктов по всему миру. Кратно возросшие объёмы
наблюдений предъявили повышенные требования к технологии анализа и инверсии МТ данных. Появившаяся
возможность использования при интерпретации геолого-геофизических данных вместе с существенным
увеличением плотности наблюдений позволило вывести информативность метода МТ зондирований на
новый уровень. Накоплен огромный методический опыт, получены интересные, порой уникальные
результаты. Задачей настоящей работы является обзор технологий, используемых при исследованиях
осадочных бассейнов и наиболее интересных результатов, полученных в последние годы в различных
регионах.
Ключевые слова: магнитотеллурическое зондирование, осадочные бассейны, базальтовые траппы,
солянокупольная тектоника, складчатые пояса, свойства коллекторов и покрышек, совместная и
регуляризированная инверсия.
Об авторах:
1
– ООО «Северо-Запад», Москва
2
– Институт океанологии им. П.П.Шишова, РАН, Москва
3
– Московский государственный университет, Москва
Магнитотеллурические исследования осадочных бассейнов используются главным
образом для решения двух задач (1) региональных исследования по геотраверсам и (2)
детальных разведочных работ на нефть и газ. Безусловно, сейсмические методы по своей
разрешающей способности по-прежнему являются основных методом исследования
осадочных бассейнов. Однако существует целый ряд достаточно распространённых
геологических ситуаций, когда магнитотеллурика имеет преимущества перед
сейсмическими методами или может существенно дополнить результаты сейсмических
исследований.
В первую очередь это разрезы, в которых в приповерхностной части имеются
«жёсткие» сейсмические границы и/или инверсия скоростей. Например, такие разрезы
характерны для осадочных бассейнов перекрытых базальтовыми траппами: Восточная
Сибирь, осадочный бассейн Парана, траппы Декан в Индии и др.
Также весьма эффективным является использование МТ в районах распространения
соляной тектоники. Соляные диапиры имеют сложную форму, часто с крутопадающим
границами и большими контрастами скоростей. Отражающие горизонты внутри соляных
диапиров отсутствуют. Все это затрудняет интерпретацию сейсмических данных
(временных разрезов), в особенности, в отношении подсолевых отложений, который часто
являются перспективными на нефть и газ. Примерами таких регионов являются
Прикаспийская впадина, Мексиканский залив, Центральный Иран.
Определённые преимущества имеет метод МТ зондирования и в складчатых
областях, где геологические границы залегают под большими углами. Примером таких
регионов может служить складчатый Таймыр, складчатый Загрос (южная часть Ирана) или
северо-западная часть Колумбии.
Результатом инверсии МТ данных является геоэлектрический разрез. Для его
геологического истолкования важно понимать, что осадочные породы – это многофазные
системы, электрическое сопротивление которых зависит от многих параметров:
глинистости,
эффективной
пористости,
структуры
порового
пространства,
флюидонасыщенности, солёности флюида и температуры и т.д. Очевидно, что без
дополнительной информации о литологии осадков и их физическом состоянии, получение
оценок всех этих параметров затруднительно. Тем ни менее, в большинстве случаев,
имеются представления о литологических и петрофизических свойствах осадков и
типичных значениях солёности поровых флюидов, что позволяет выполнять оценки
эффективной пористости (как показателя качества коллектора) или глинистости (как
показателя качества покрышки). Именно благодаря возможности оценивания
коллекторских свойств осадочных пород по электропроводности данные МТ исследований
находят применение при поисках и разведке углеводородов. Очевидно, что эти оценки
независимы от оценок получаемых сейсмическими или другими геофизическими
методами.
Главным этапом любого геофизического исследования является решения обратной
задачи (или инверсия данных), которая заключается в построение физических моделей
среды по наблюдённым данным. Финальный этап – интерпретация заключается в
геологическом истолковании физических моделей и построении геологических и/или
литологических моделей.
Электропроводность и скорость сейсмических волн в осадочных породах имеют
различную природу и, как правило, слабо коррелируют между собой. Этот факт открывает
большие возможности совместной интерпретации, поскольку результаты методов будут
дополнять друг друга.
В основе совместной интерпретации сейсмических и МТ данных лежит наличие в
осадочных бассейнах субгоризонтальных границ, отражающих резкую смену литологии
осадков. Таким границам соответствуют контрасты сопротивлений и/или сейсмических
скоростей (отражающие границы). Сейсмические границы могут совпадать с
геоэлектрическими, а могут и не совпадать, но в последнем случае они, как правило,
конформны. Именно на выделении и сопоставлении таких границ, если они существуют в
разрезе, основаны методы совместной интерпретации.
Существует два основных подхода к инверсии данных различных методов (МТ и
сейсмических данных): совместная инверсия («joint inversion») и регуляризированная
инверсия («constraint inversion»).
Первый подход направлен на построение моделей, удовлетворяющих, как
сейсмическим, так и МТ данным. Инверсия данных обоих методов происходит
одновременно в одной процедуре. Очевидно, что при этом будут подчёркиваться только
общие элементы, главным образом границы между литологическими комплексами, тогда
как большая часть информации, которая содержится как в сейсмических, так в МТ данных
не будет в таких моделях отражена.
Второй подход основан на использовании результатов инверсии сейсмических
данных, а именно глубины залегания уверенно выделяемых сейсмических отражающих
горизонтов, при инверсии МТ данных. При такой инверсии границы слоёв
соответствующие отражающим горизонтам закрепляются, а задача сводится к
определению распределения сопротивлений в слоях.
Важнейшим источником данных для регуляризации инверсии МТ данных также
служат данные электрического каротажа. Прямое сравнение геоэлектрических моделей с
данными каротажа, как правило, некорректно, однако анализ данных электрического
(индукционного) каротажа позволяет выделять границы осадочных комплексов и их
стратиграфическую привязку.
В ряде случаев, например, в областях развития солянокупольной тектоники, может
быть весьма эффективной совместная инверсия («joint inversion») данных гравиметрии и
электроразведки, что обусловлено тем фактом, что соленосные отложения имеет высокое
по сравнению с вмещающими осадочными породами электрическое сопротивление и
низкую по сравнению с вмещающими осадочными породами плотность. В данном
конкретном случае совместная инверсия оправдана и эффективна, поскольку аномалии
электропроводности и плотности, характеризующие объект хорошо коррелируют между
собой.
Естественным развитием МТ исследований является постепенный переход от
профильных двумерных работ к площадным трёхмерным измерениям. Преимущества и
недостатки трёхмерного подхода очевидные:
- нет ограничений на размерность среды, то есть исключаются, пожалуй, наиболее
трудно учитываемый фактор – ошибки связанные с использованием двухмерного (или
одномерного) подхода при инверсии данных, полученных в реальных трёхмерных средах;
- решение трёхмерных задач требует, помимо площадных данных высокого качества,
исключительно больших вычислительных ресурсов. Если большинство двумерных
обратных задач может быть решено с помощью современных персональных компьютеров
за относительно небольшое время (несколько часов на один этап), то для решения
трёхмерной обратной задачи необходимы многопроцессорные системы (кластеры) и
большая оперативная память, а время вычислений составляет несколько дней для одного
этапа решения обратной задачи.
Очевидно, что трёхмерный подход не является «панацеей»; представляется
разумным использовать традиционное сочетание одномерного и двумерного подходов, что
позволяющего получать детальные модели, с трёхмерным подходом, который позволяет
оценивать региональное трёхмерное распределение электропроводности. Полезно
отметить, что в осадочных бассейнах в короткопериодном диапазоне, соответствующем
верхней части разреза, зачастую применим одномерный подход.
Полученная за последние годы в различных осадочных бассейнах результаты МТ
исследований подтвердили эффективность метода МТ зондирований.
Помимо поисков и разведки углеводородов метод МТ зондирования в различных
модификациях находит своё применение также при гидрологических и геотермальных
исследованиях. Хорошие перспективы имеет метод при обнаружении и картировании
газогидратов.
Nikolay, Palshin, Elena, Aleksanova, Andrey, Yakovlev and Denis, Yakovlev
Magnetotelluric soundings in sedimentary basins: prospects and case histories
Abstract. The method of magnetotelluric (MT) soundings has been developed in the USSR since 1960s
mainly as a method of studying the sedimentary basins, but in the last two decades most of the academic research
works and publications, respectively, have been focused on deep studies of the Earth's crust and the upper mantle.
Apparently, broad band span of depths of the method and a relative simplicity of data acquisition makes
deep-MT sounding an effective tool for studying the deep structure. Nevertheless, the studies of the sedimentary
basins have been carried out and are being carried out in large volumes within commercial projects, but the
academic community doesn’t have much information about their results. In recent years, Nord-West Ltd alone
acquired dozens of thousands of MT sites all over the world. Multiple increase of MT observations resulted in
increased requirements to the technology of analysis and inversion of MT data. The possibility to use geological and
geophysical data in joint interpretation, alongside with a significant increase of the density of observations has
enhanced effectiveness of the MT method. A vast experience in methodology has been accumulated; interesting and
in some cases unique results have been obtained. The objective of this paper is to review technologies used in the
studies of the sedimentary basins as well as the most interesting results obtained in recent years in different regions.
Key words: magnetotelluric sounding, sedimentary basins, basalt traps, salt tectonics, fold belts, reservoir
and sealing properties, joint and constraint inversion