Заряд приземной атмосферы обязан своим происхождением ионизации эксхалирующим (поступающим из Земли) почвенным радоном [6, c. 780]. Высокий молекулярный вес радона – 222 исключает возможность его самопроизвольной субвертикальной меграции. Долгое время считалось, что перенос ионизатора осуществляется пузырьковыми образованиями всех летучих газов почвенного воздуха [1, c.503]. Однако эксперименты последних лет показали, что в качестве газов-носителей выступают только два из них – водород и метан [2, c.158, 7, c. 21].
Полученный результат понятен с физической точки зрения. В ходе наблюдений с борта самолета радон наблюдался на километровых высотах относительно Земли. Это значит, что пузырьковые образования газов носителей должны быть легче атмосферного воздуха. К таким летучим газам относятся водород, метан, гелий и пары воды. Гелий, как и радон, инертный газ – перенос пузырьком одного инертного газа другого инертного газа невозможен.
Процесс транспорта радона идет с метровых глубин, а вероятность выноса ионизатора не зависит от глубины. Ввиду малой толщины слоя, из которого идет испарение, даже при транспорте радона парами воды вклад этого переноса в эксхалирующий радон будет очень мал.
Проведенный анализ позволяет построить модель связей газовых полей Земли и элементов приземного атмосферного электричества. Пузырьковые образования водорода и метана выносят в приповерхностную атмосферу почвенный радон; ионизация эксхалирующим радоном атмосферного воздуха определяет локальные полярные проводимости — ПП воздуха и атмосферное электрическое поле — АЭП. Увеличение плотности субвертикальных потоков водорода и метана приведет к росту ПП воздуха и спаду АЭП; уменьшение – к обратному эффекту.
Расчеты показывают [4, c.15, 5, c. 199], что избыточная эксхаляция радона приводит к реверсивному электродному эффекту – образованию у поверхности Земли слоя отрицательного объемного заряда, приводящего зачастую к смене знака АЭП. Дефицит эксхаляции наоборот приводит к росту поля – классический электродный эффект.
Проиллюстрируем сформулированные положения экспериментальным материалом. На рис. 1 приведены примеры спада АЭП над зонами разломов – Е(Ак) – Дагестан, Е(Ккс) – Калужская кольцевая структура и над областью резкого увеличения мощности осадочных пород – Е(Ст) — Белоруссия. Минимальные значения поля на графиках отмечены круглыми маркерами; вызваны увеличением плотности потока летучих газов-носителей – повышенным сбросом в приземную атмосферу почвенного радона; иллюстрируют проявление реверсивного электродного эффекта.
Рисунок 1 Вариации АЭП над: разломной зоной реки Акташ – Е(Ак), Дагестан, шаг наблюдений ~ 1км; Калужской кольцевой структурой – Е(Ккс), шаг наблюдений ~ 1км; над областью понижения кровли фундамента у г. Столбцы – Е(Ст), Белоруссия, шаг наблюдений ~ 0,75км.
Тот же результат удается наблюдать в вариациях полярных проводимостей атмосферного воздуха над областями разуплотнений земной коры. На рис. 2 представлены данные профильных наблюдений ПП в «крест» с линиями метро мелкого и глубокого заложения — l1, l2 и на подковообразном профиле, дважды пересекающем карстовую полость — l+. В последнем случае канал отрицательной ПП вышел из строя; на графике представлены вариации только положительной ПП. Пикеты над пересечением профилей с линиями метро и карстовой полостью отмечены круглыми маркерами.
Рисунок 2. Вариации ПП воздуха при наблюдениях: на профиле в «крест» с линией метро мелкого заложения — l1, метро Коньково, шаг наблюдений 4м; на профиле в «крест» с линией метро глубокого заложения — l2, метро Университет, шаг наблюдений 12м; на подковообразном профиле, дважды пересекающем карстовую полость — l+ (Тула, Союзный переулок), шаг наблюдений 4-12м.
Первые исследования вариаций АЭП над геологической неоднородностью проводились в июне 1986 года в Белоруссии, над Новоселковским ильменит-магнетитовым рудопроявлением. К сожалению, в первый год наблюдений исследуемая территория находилась под посевом, что позволило проложить только один наблюдательный профиль. В зоне проекции рудного тела на поверхность земли был зафиксирован спад поля на величину порядка 60В/м. В августе следующего года наблюдения АЭП повторялись, но уже на выкошенной территории. Было заложено 11 наблюдательных профилей. В результате совместной обработки данных 2-х дневных профильных АЭП-наблюдений над рудным телом была введена новая градация выделенных эквипотенциальных зон:
— 1 зона – зона рудного тела, 179В/м < E < 238В/м, охватывала 19 пикетов, среднее значение поля Е = (221 +/- 18)В/м;
— 2 зона – пограничная зона, 250В/м < E < 274В/м, охватывала 15 пикетов, среднее значение поля Е = (261 +/- 10)В/м;
— 3 зона – зона вне рудного тела, E < 286В/м, охватывала 14 пикетов, среднее значение поля Е = (309 +/- 37)В/м.
Перепады поля при переходе от одной зоны к другой (по средним значениям) уменьшились и оказались равными DЕ1,2 = 54В/м, DЕ1,3 = 101В/м, DЕ2,3 = 47В/м. Причиной спада поля над исследуемым ильменит-магнетитовым рудопроявлением являлись электрохимические процессы в шапке рудного тела, сопровождаемые выделением водорода. Интенсификация его плотности над геологическим образованием увеличивала сброс почвенного радона в приповерхностные слои атмосферы, что и проявлялось в регистрируемом спаде АЭП.
Похожий результат удалось наблюдать при профильных наблюдениях АЭП на 3 Речицком нефтепромысле (Белоруссия). Измерения проводились в 2 этапа: первый раз летом 1989 года в непосредственной близости от только что пущенной в эксплуатацию новой скважины – рис. 3; второй этап наблюдений на том же профиле был проведен в 1992 году, после 3-х лет эксплуатации скважины. Как следовало ожидать, за 3 года спад поля над залежью существенно уменьшился – результат снижения внутрипластового давления в процессе эксплуатации, заводнение пласта, снижение плотности шлейфа углеводородов.
Следует обратить особое внимание на тенденцию к росту поля на уровне пикета № 4. Наблюдаемый результат позволяет говорить о возможном отсечении области под пикетом № 3 от основной залежи – о возможности образования целика.
Рисунок 3. Вариации атмосферного электрического поля у эксплуатационной скважины – 3 Речицкий нефтепромысел, Белоруссия.
Аналогичный результат был получен в Белоруссии на Александровском нефтепромысле. На профиле, секущем месторождение наблюдался провал поля. Более того, одновременно с наблюдениями АЭП на наблюдательных пикетах регистрировалась объемная активность радона грунта. Массивы данных наблюдений делились на две части – над залежью и вне залежи, и строились линейные аппроксимации АЭП, как функции объемной активности радона почвенного воздуха. С достоверностью ~ 0.8 эти аппроксимации запишутся в виде: Е(Rn)2-8 = 553,3 – 119,2*Rn и E(Rn)1,9-29 = 377,4 – 55,2*Rn – рис. 4. Численные коэффициенты имеют размерность В/м; значения объемной активности радона грунта нормированы на 1Бк/л.
На поле концентраций метана в атмосфере оказывает влияние нефтегазоносность недр. Например, содержание СН4 в тропосфере над нефтяными и газовыми структурами Бухаро-Чарджоуской тектонической ступени в 1,2–1,5 раза выше среднепланетарных. Натурные исследования показали, что внутри контура проекции нефтяной залежи на поверхности Земли имеет место рост концентрации горючего газа в грунте. Другими словами, избыточный сброс метана в приповерхностные слои грунта и атмосферу над контуром нефтяной залежи и приводит к регистрируемому спаду АЭП.
Рисунок 4. Вариации атмосферного электрического поля и объемной активности радона грунта над Александровской нефтяной залежью, Белоруссия.
В рамках предложенной модели связей газовых и электрических полей земли и атмосферы проанализируем экспериментальные данные по влиянию на вариации АЭП искусственной газовой залежи. В период 1999-2009гг. проводились многочисленные комплексные наблюдения водорода, радона, АЭП и полярных проводимостей атмосферного воздуха на территориях Щелковского, Касимовского и Северо-Ставропольского газохранилищ – ПХГ.
Первая система наблюдательных маршрутов для профильных измерений атмосферного электрического поля была заложена осенью 1999 года на территории Щелковского ПХГ. Повторный опрос системы в 2000 году показал высокий уровень повторяемости вариаций АЭП, рис. 5.
Графики являются примером наиболее контрастных вариаций АЭП на профиле, протяженностью 1.1км – низкие уровни поля соответствуют положению профиля над зоной закачки, высокие – выход профиля на борт зоны закачки. Повторяемость результатов очень высокая — коэффициенты корреляции между данными профильных изменений 0,8. Более того, даже абсолютные значения поля близки друг другу.
Рисунок 5. Профильные вариации АЭП, зарегистрированные в 1999 и 2000 гг. на территории куста нагнетательных скважин Щелковского ПХГ.
Всего на территории Щелковского ПХГ было заложено 11 профилей, на которых в 1999 и 2000гг. ставились наблюдения АЭП. По данным наблюдений 1999 года среднее АЭП над объемом закачки равнялось Е(1999)о.з. = 284 В/м; среднее значение АЭП вне зоны объема закачки Е(1999) = 557 В/м. Аналогичные расчеты, проведенные по результатам наблюдений 2000 года приводят к средним значениям АЭП Е(2000) = 599 В/м вне зоны закачки и Е(2000)о.з. = 368 В/м. Таким образом, только по перепадам значений АЭП над зоной закачки над вмещающими породами можно по данным профильных наблюдений параметра оценить положение проекции пласта-коллектора на дневную поверхность.
Работы, начатые на Щелковском газохранилище, были продолжены в 2000 и 2003 гг. на территории Касимовского ПХГ. В отличие от вариаций поля под Щелковым над контуром Касимовского газохранилища провал АЭП был менее контрастен. Тем не менее, если сравнить средние абсолютные значения поля над пластом-коллектором и за его пределами можно говорить о спаде АЭП, явно превышающем ошибки экспериментальной аппаратуры. Средние значения поля по отрезкам трех профилей над объемом закачки – 138В/м, 136В/м и 140В/м. Значения поля за пределами проекции зоны объема закачки на поверхность – 184 — 240В/м.
Пласты-коллекторы Щелковского и Касимовского газохранилищ выбирались искусственно, по результатам геологических изысканий. Естественно, что их покрышечные области были не стол герметичны, как у естественных газовых месторождений. Отсюда и наблюдаемый незначительный сброс метана, проявляемый в спаде АЭП в зоне проекции объема закачки на поверхность земли.
Северо-Ставропольского ПХГ расположено в бывшем Северо-Ставропольском месторождении, т.е. там, где шло природное накопление горючего газа. Рассмотрим вариации АЭП на профиле, на километры выходящем за пределы проекции покрышечной области
Метеорологическая ситуации во время наблюдений была идеальна – полнейшее безветрие, облачность 0 баллов. Профиль проходил в чистом поле; ближайшие посадки на удалении не менее 100м. Первые 4 км профиля – пикеты 1-8, лежат над пластом-коллектором; пикеты 9-17 располагались за пределами проекции пласта-коллектора на поверхность земли. На рис. 6. представлены измеренные и средние значения АЭП на описываемом 16км профиле.
Рисунок 6. Измеренные и средние значения АЭП на профиле, выходящем за пределы пласта-коллектора Северо-Ставропольского ПХГ (бывшего Северо-Ставропольского месторождения).
Средние значения поля за пределами зоны проекции пласта коллектора на поверхность Земли на DЕ = 79В/м ниже среднего значения АЭП над объемом закачки. Полученный результат позволяет говорить высокой герметичности покрышек бывшего Северо-Ставропольского месторождения – ныне Северо-Ставрополького ПХГ.
Установленные связи между элементами приземного атмосферного электричества радоном, водородом и метаном и приведенный материал полевых наблюдений позволяет утверждать, что изменения АЭП и ПП воздуха над геологическими неоднородностями будут определяться вариациями плотности субвертикальных потоков перечисленных летучих газов. Можно назвать несколько причин этих изменений:
— рост газопроницаемости горных пород в зоне неоднородности: разломные зоны, увеличение мощности осадочных пород, разуплотнение земной коры (подземные инженерные сооружения, карстовые полости), приводящие к росту ПП и спаду АЭП;
— наличие мелкого субвертикального потока водорода или метана над геологической неоднородностью: железнорудное месторождение, нефтяная залежь, искусственные газовые месторождения – подземные газохранилища, вызывающего спад АЭП;
— естественные газовые залежи, обладающие высокогерметичными покрышками, наоборот приводят к уменьшению плотности субвертикальных потоков водорода и метана, что сопровождается ростом АЭП.
Список литературы:
- Войтов Г.И., Рудаков В.П., Шулейкин В.Н., Козлова Н.С., Баранова Л.В. Эманационные и электрические эффекты в атмосфере подпочв над Калужской кольцевой структурой // Российский журнал наук о Земле. — 1999. — т 1. — № 6. — С. 503-510.
- Зубарев А.П., Шулейкин В.Н. Комплексный геофизический и геохимический контроль при эксплуатации подземных газохранилищ// М: Изд-во ООО «Газпром ПХГ». 2009. 264с.
- Поиск электромагнитных предвестников землетрясений // сб. науч. труд. / под ред. проф. М.Б. Гохберга. — М: Изд-во ИФЗ АН СССР, 1988. 243с.
- Редин А. А. Математическое моделирование электродинамических процессов в приземном слое в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы: автореф. дис….канд. физ.-мат. наук. – Таганрог, 2011. — 19с.
- Редин А.А., Куповых Г.В., Болдырев А.С. Электродинамическая модель турбулентного приземного слоя при наличии многократно заряженных аэрозольных частиц // VII конф. по атмосферному электричеству: материалы всерос. науч. конф. — СПб.: Изд-во ГГО им. А.И. Воейкова, 2012 — С. 199-201.
- Тверской П.Н., Курс метеорологии// Л. 1951. Гидрометиздат. 887с.
- Шулейкин В.Н., Щукин Г.Г. Исследования вариаций атмосферного электрического поля в районах нефтяных и газовых месторождений // Метеорология и гидрология. — 2015. — №2. — С. 21-29.
- Электромагнитные предвестники землетрясений // сб. науч. тр. / под ред. акад. М.А. Садовского. — М: Наука, 1982. 88с.[schema type=»book» name=»АТМОСФЕРНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ И ПОЛЯРНЫЕ ПРОВОДИМОСТИ ВОЗДУХА НАД ГЕОЛОГИЧЕСКИМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ» author=»Шулейкин Владимир Николаевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-13″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)» ebook=»yes» ]