The problem of applying the method of electrical resistivity tomography in the process of electric sounding in a cave

Проблема применения метода электротомографии при зондировании в пещере

Полина Сергеевна Осипова

Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 1, студент 1-го курса магистратуры геолого-геофизического факультета, кафедры геофизики, тел. (913)749-78-84, e-mail: [email protected]

 

Владимир Владимирович Оленченко

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)330-79-08, e-mail: [email protected]

 

Леонид Валерьевич Цибизов

Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 1, ассистент;Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, научный сотрудник,e-mail: [email protected];

                    

В результате полевых археогеофизических измерений в пещере получена двумерная геоэлектрическая модель разреза. Для оценки влияния стенок и потолка пещеры на результат инверсии проведено трёхмерное численное моделирование. Анализ моделей показал, что толщина рыхлого слоя восстанавливается заниженной, а влияние потолка выражается в появлении ложного проводящего слоя на глубине.

 

Ключевые слова: пещера, электротомография, прямая задача, обратная задача, инверсия

The problem of applying the method of electrical resistivity tomography in the process of electric sounding in a cave

Polina S. Osipova

Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Pirogova St., First-year Student of Magistracy of Geological and Geophysical Faculty, Geophysical Department, tel. (913)749-78-84, e-mail: [email protected]

 

Vladimir V. Olenchenko

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Leading Researcher, tel. (383) 330-79-08, e-mail: [email protected]

 

Leonid V. Tsibizov

Novosibirsk State University, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Pirogova St., assistance lecturer;Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Researcher;, e-mail: [email protected]

In consequence of field archaeogeophysical measurements in the cave, a two-dimensional geoelectric section model was obtained. Three-dimensional numerical modeling was carried out to evaluate the influence of the walls and ceiling of the cave on the result of inversion. Analysis of the models showed that the thickness of the loose layer are diminish is restored, and the influence of the ceiling is expressed in the appearance of a false conductive layer at depth.

Key words: cave, electrical resistivity tomography, direct problem, inverse problem, inversion.

Пещеры использовались древними людьми в качестве жилища и сейчас представляют интерес для археологии. Чем больше мощность культурного слоя в пещере, тем большее количество артефактов там может быть найдено. Изучение пещер или полостей под землей геофизическими методами часто ограничивается поиском и определением их геометрических параметров с поверхности [2, 6]. Для оценки мощности осадочного слоя либо определения внутреннего строения пещеры проводят исследования внутри пещеры методами электротомографии и георадиолокации [3-5]. Однако вопрос о влиянии стен и потолка пещеры на результаты электрических зондирований и инверсии ранее не рассматривается. В данной работе оценивается влияние трёхмерности объекта исследований на результаты двумерной инверсии, которая обычно применяется при полевых исследованиях.

Геофизические работы методом электротомографии проводились в сентябре 2017 года в пещере Сельунгур в республике Кыргызстан [1]. На рисунке 1 представлен геоэлектрический разрез по одному из профилей в пещере. В нижней части разреза была выделена предполагаемая граница кровли коренных пород с удельным электрическим сопротивлением (УЭС) 600-2000 Ом×м, над которыми залегают рыхлые отложения (200-500 Ом×м). Крупные обломки кровли, захороненные в рыхлых породах, выделяются аномалиями высокого удельного электрического сопротивления (УЭС).

 

Рис. 1. Геоэлектрический разрез по профилю внутри пещеры

Fig. 1. Geoelectric section along the profile in cave.

Необходимо установить, действительно ли выделенная граница является кровлей коренных пород, либо на разрезе отражается боковое влияние стен и потолка пещеры. Для ответа на этот вопрос созданымодель пещеры без потолка (рис. 2а) и с потолком (рис. 2б). В модели без потолка осадочные породы залегают в форме полуцилиндра с радиусом 5 метров. При наличии потолка пещера представлена в виде цилиндрического коридора с радиусом 5 метров, заполненного наполовину осадочными породами. Скелет пещеры (коренные породы) имеют УЭС 1000 Ом×м, осадочные породы – 200 Ом×м. Вдоль пола, посередине полуцилиндра, расположен профиль измерений УЭС длиной 47 м, на котором заземлено 48 электродов с шагом 1 м. Прямая трёхмерная задача рассчитывалась для профиля, расположенного по оси пещеры. По схеме трёхэлектродной установки на электродах поочерёдно задавался источник тока и рассчитывался потенциал.Расчёт производился методом конечных элементов (решалось уравнение Пуассона). По результатам расчёта прямой задачи решалась обратная с помощью программы Res2Dinv.

 

Рис. 2. Модели пещеры: а – без потолка, б – с потолком. 1 – 200 Ом×м, 2 – 1000 Ом×м.

Fig. 2. Models of the cave: a – without a ceiling, b – with a ceiling. 1 – 200 Ohm×m, 2 – 1000 Ohm×m.

 

В результате инверсии получены геоэлектрические разрезы для моделей пещеры. Сопротивления на разрезе пещеры без потолка (рис. 3а) изменяются от 100 Ом×м до более 6000 Ом×м, на разрезе пещеры с потолком (рис. 3б) – до 3000 Ом×м. На обоих разрезах верхний слой до глубины 3 м имеет низкие сопротивления 100-400 Ом×м. Он соответствует осадочным породам, хотя тоньше заданной мощности. На интервале глубин 3-10 м сопротивления увеличиваются до максимальных, то есть появляется ложный изолятор. Для разреза модели пещеры без потолка на глубине 15 м появляется слой с УЭС 1000 Ом×м, который соответствует вмещающей среде. Для разреза пещеры с потолком также появляется этот слой, но он имеет сопротивление 400 Ом×м, то есть почти в два раза ниже УЭС вмещающей среды, заданного в модели. Это связано с тем, что при работе в цилиндрической области пещеры, электротомография работает как боковой каротаж в скважине. Коэффициент трехэлектродной установки при работе на поверхности выражается формулой , а при работе в скважине , то есть значение коэффициента внутри скважины в два раза выше, чем в полупространстве.В результате этого, после инверсии сопротивление коренных пород в случае модели пещерыс потолком в два раза меньше заданного изначально.

 

Рис. 3. Геоэлектрические разрезы по профилю внутри пещеры: а – для модели пещеры без потолка, б – для модели пещеры с потолком.

Fig. 3. Geoelectric sections along the profile inside the cave: a – for a cave model without a ceiling, b – for a cave model with a ceiling.

 

Анализ разрезов показывает, что при двумерной инверсии данных ЭТ получается заниженная толщина слоя рыхлых пород. При этом наличие потолка в модели выражается на двумерной модели появлением на глубине ложного проводящего слоя, УЭС которого в два раза ниже, чем заданное значение сопротивления в стартовой модели. Независимо от присутствия потолка в модели, на разрезах появляется аномальный слой высокого сопротивления. Таким образом,предполагается, что реальная толщина осадочных пород в пещере Сельунгур превышает установленную изначально по данным 2D инверсии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Цибизов Л. В., и др. Апробация комплекса геофизических методов в пещере Сельунгур (Кыргызстан //Теория и практика археологических исследований. – 2017. – Т. 20. – №. 4. – С. 169-177.

2. Balkaya Ç. etal. Explorationforacavebymagneticandelectricalresistivitysurveys: Ayvacık Sinkhole example, Bozdağ, İzmir (western Turkey) //Geophysics. – 2012. – Т. 77. – №. 3. – С. B135-B146.

3. Bermejo L. et al. 2D and 3D ERT imaging for identifying karst morphologies in the archaeological sites of Gran Dolina and Galería Complex (Sierra de Atapuerca, Burgos, Spain) //Quaternary International. – 2017. – Т. 433. – С. 393-401.

4. Cardarelli E. et al. Electrical resistivity and seismic refraction tomography to detect buried cavities //Geophysical Prospecting. – 2010. – Т. 58. – №. 4. – С. 685-695.

5. Leucci G., De Giorgi L. Integrated geophysical surveys to assess the structural conditions of a karstic cave of archaeological importance //Natural Hazards and Earth System Science. – 2005. – Т. 5. – №. 1. – С. 17-22.

6. Martínez-Moreno F. J. et al. Combined microgravity, electrical resistivity tomography and induced polarization to detect deeply buried caves: Algaidilla cave (Southern Spain) //Engineering Geology. – 2013. – Т. 162. – С. 67-78.

REFERENCES

1. Cibizov L. V, i dr. Aprobacija kompleksa geofizicheskih metodov v peshhere Sel'ungur (Kyrgyzstan //Teorija i praktika arheologicheskih issledovanij. – 2017. – T. 20. – №. 4. – S. 169-177.Balkaya Ç. et al. Exploration for a cave by magnetic and electrical resistivity surveys: Ayvacık Sinkhole example, Bozdağ, İzmir (western Turkey) //Geophysics. – 2012. – Т. 77. – №. 3. – С. B135-B146.

2. Bermejo L. et al. 2D and 3D ERT imaging for identifying karst morphologies in the archaeological sites of Gran Dolina and Galería Complex (Sierra de Atapuerca, Burgos, Spain) //Quaternary International. – 2017. – Т. 433. – С. 393-401.

3. Cardarelli E. et al. Electrical resistivity and seismic refraction tomography to detect buried cavities //Geophysical Prospecting. – 2010. – Т. 58. – №. 4. – С. 685-695.

4. Leucci G., De Giorgi L. Integrated geophysical surveys to assess the structural conditions of a karstic cave of archaeological importance //Natural Hazards and Earth System Science. – 2005. – Т. 5. – №. 1. – С. 17-22.

5. Martínez-Moreno F. J. et al. Combined microgravity, electrical resistivity tomography and induced polarization to detect deeply buried caves: Algaidilla cave (Southern Spain) //Engineering Geology. – 2013. – Т. 162. – С. 67-78.