nznistuНауки о Земле и недропользованиеEarth sciences and subsoil use2686-99932686-7931Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research Technical University"10.21285/2686-9993-2024-47-4-400-416kxuibunznistu-374Research ArticleГеофизикаGeophysicsМетодика применения электротомографии при поиске подземных вод в условиях распространения многолетнемерзлых пород на примере Бодайбинского района Иркутской областиMethodology of using electrical tomography in groundwater exploration in permafrost conditions on example of Bodaibo district, Irkutsk regionhttps://orcid.org/0009-0007-1641-6085ШойхоноваТ. С.ShoykhonovaT. S.

Шойхонова Туяна Сергеевна, младший научный сотрудник департамента геофизики, институт «Сибирская школа геонаук»

Tuyana S. Shoykhonova, Junior Researcher of the Geophysics Department, Siberian School of Geosciences

tshoikhonova@geo.istu.eduhttps://orcid.org/0000-0003-1570-0002ШкиряМ. С.ShkiryaM. S.

Шкиря Михаил Сергеевич, независимый исследователь

Mikhail S. Shkirya, Independent Researcher

shkirya.ms@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0006-0991-2972БирюковП. Г.BiryukovP. G.

Бирюков Павел Геннадьевич, инженер-исследователь,институт «Сибирская школа геонаук»

Pavel G. Biryukov, Research Engineer, Siberian School of Geosciences

pbiriukov@geo.istu.eduИркутский национальный исследовательский технический университетРоссияIrkutsk National Research Technical UniversityRussian Federation202421022025474400416Copyright © Шойхонова Т.С., Шкиря М.С., Бирюков П.Г., 20252025Шойхонова Т.С., Шкиря М.С., Бирюков П.Г.Shoykhonova T.S., Shkirya M.S., Biryukov P.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nznj.ru/jour/article/view/374

В настоящее время в связи с растущим спросом на новые объекты водоснабжения возникает необходимость поиска новых источников подземных вод. Поскольку бурение скважин отличается высокой стоимостью и имеет экологические риски, актуальным становится применение геофизических методов, в частности электроразведки. Электротомография позволяет детально изучить геологическое строение и свойства водоносных горизонтов, однако четкие рекомендации для проведения электротомографических исследований при поиске подземных вод в различных геологических условиях отсутствуют. Для повышения точности и эффективности геофизических работ предлагается выполнение математического моделирования данных электротомографии, позволяющего оценить чувствительность метода и возможные ошибки измерений, а также обеспечить наиболее точные результаты. Целью проведенного исследования являлось формирование оптимальной методики поиска подземных вод посредством электротомографии в условиях распространения многолетнемерзлых пород в Бодайбинском районе, включающей рассмотрение возможных условий залегания подземных вод и математическое моделирование для оценки влияния мерзлых пород на полученные данные. Численное моделирование подтвердило эффективность использования указанного метода в районах, осложненных многолетнемерзлыми породами. Обводненные трещиноватые зоны, характеризующиеся пониженными значениями удельного электрического сопротивления, надежно    идентифицировались на всех полученных данных моделирования. Результаты решения прямых и обратных задач электроразведки, сопоставленные с данными производственных работ 2020 г. в Республике Бурятии и 2022 г. в Иркутской области, показали, что электротомографические исследования, успешно подтвержденные бурением, позволяют с высокой достоверностью выделить продуктивный обводненный горизонт.

Growing current demand for new water supply sources determines the need to search for new sources of groundwater. Since well drilling is expensive and environmentally risky, it is becoming relevant to use geophysical methods, in particular electrical exploration. Electrical resistivity tomography allows a detailed study of geological structure and properties of aquifers, but there are no clear recommendations for conducting electrical resistivity tomography studies when searching for groundwater in various geological conditions. To improve the accuracy and efficiency of geophysical works, it is proposed to perform mathematical modeling of electrical resistivity tomography data, which allows to assess the method sensitivity and possible measurement errors as well as to ensure the most accurate results. The purpose of the conducted study is to develop an optimal technique for groundwater exploration using electrical resistivity tomography in the conditions of permafrost distribution in the Bodaibo district. The technique takes into consideration possible groundwater occurrence conditions and includes mathematical modeling to assess the impact of permafrost on the data obtained. Numerical modeling has proved the efficiency of the method in permafrost areas. Water-flooded fractured areas characterized by low values of specific electrical resistance have been reliably identified in all obtained modeling data. The results of solving direct and inverse problems of electrical exploration compared with the data of production works performed in 2020 in the Republic of Buryatia and in 2022 in the Irkutsk region have shown that electrical tomographic studies, which were successfully confirmed by drilling, make it possible to identify a productive water-flooded horizon with a very high degree of confidence.

электротомографиячисленное моделированиеподземные водымноголетнемерзлые породыelectrical resistivity tomographynumerical modelinggroundwaterpermafrostReferencesШкиря М.С., Ланкин Ю.К., Терешкин С.А., Лазурченко А.В., Давыденко Ю.А. Применение наземных геофизических исследований методом электротомографии в составе инженерно-геологических изысканий подтапливаемой территории одного из жилых районов г. Иркутска // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. №. 11. С. 160–170. https://doi.org/10.18799/24131830/2022/11/3766. EDN: EKMNKE.Shkiria M.S., Lankin Yu.K., Tereshkin S.A., Lazurchenko A.V., Davydenko Yu.A. Applying ground geophysical prospecting using the method of electrical resistivity tomography as part of engineering and geological surveys of a flooded area in one of the residential areas of Irkutsk. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2022;333(11):160-170. (In Russ.). https://doi.org/10.18799/24131830/2022/11/3766. EDN: EKMNKE.Thiagarajan S., Rai S.N., Kumar D., Manglik A. Delineation of groundwater resources using electrical resistivity tomography // Arabian Journal of Geosciences. 2018. Vol. 11. Iss. 9. P. 1–16. https://doi.org/10.1007/s12517-018-3562-y.Thiagarajan S., Rai S.N., Kumar D., Manglik A. Delineation of groundwater resources using electrical resistivity tomography. Arabian Journal of Geosciences. 2018;11(9):1-16. https://doi.org/10.1007/s12517-018-3562-y.Санчаа А.М., Фаге А.Н., Шемелина О.В. Применение метода электротомографии для поиска водоносных горизонтов в геологических условиях восточной части Новосибирской области // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2019. № 10. С. 90–105. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-10-0-90-105. EDN: RFYERA.Sanchaa A.M., Fage A.N., Shemelina O.V. Application of electrical tomography to detecting aquifers in geological conditions of the eastern Novosibirsk Region. Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2019;10:90-105. (In Russ.). https://doi.org/10.25018/0236-1493-2019-10-0-90-105. EDN: RFYERA.Kumar D., Rao V.A., Sarma V.S. Hydrogeological and geophysical study for deeper groundwater resource in quartzitic hard rock ridge region from 2D resistivity data // Journal of Earth System Science. 2014. Vol. 123. Iss. 3. P. 531–543. https://doi.org/10.1007/s12040-014-0408-1.Kumar D., Rao V.A., Sarma V.S. Hydrogeological and geophysical study for deeper groundwater resource in quartzitic hard rock ridge region from 2D resistivity data. Journal of Earth System Science. 2014;123(3):531-543. https://doi.org/10.1007/s12040-014-0408-1.Белова А.Ю., Башкеев А.С., Давыденко Ю.А., Зайцев С.В., Ольховский И.В., Гулин В.Д. Оценка чувствительности электроразведочных БПЛА-систем для решения инженерно-геологических задач // Инженерная и рудная геофизика 2023: сб. материалов 19-й науч.-практ. конф. и выставки (г. Санкт-Петербург, 15–19 мая 2023 г.). СПб.: Изд-во ООО «ЕАГЕ Геомодель», 2023. С. 485–491. EDN: MZOBOVBelova A.Y., Bashkeev A.S., Davydenko Yu.A., Zaitsev S.V., Olkhovsky I.V., Gulin V.D. Evaluation of the sensitivity of electrical exploration uav systems for solving engineering and geological problems. In: Inzhenernaya i rudnaya Geofizika 2023: sb. materialov 19-i nauch.-prakt. konf. i vystavki = Engineering and Ore Geophysics 2023: collected materials of the 19th scientific and practical conference and exhibition. 15–19 May 2023, Saint Petersburg. Saint Petersburg: EAGE Geomodel’; 2023, p. 485-491. (In Russ.). EDN: MZOBOV.Бурденко А.А., Бобачев А.А. Трехмерное моделирование электрических полей от тел произвольной формы методом интегральных уравнений // Геоевразия-2024. Геологоразведочные технологии: наука и бизнес: сб. трудов VII Междунар. геол.-геофиз. конф. (г. Москва, 12–14 марта 2024 г.). Тверь: Изд-во ООО «ПолиПРЕСС», 2024. С. 297–300. EDN: BZIHLY.Burdenko A.A., Bobachev A.A. Three-dimensional modeling of electric fields from arbitrary shape bodies by the integral equation method. In: Geoevraziya-2024. Geologorazvedochnye tekhnologii: nauka i biznes: sb. trudov VII Mezhdunar. geol.-geofiz. konf. = GeoEurasia-2024. Geological exploration technologies: science and business: collected works of the 7th International geological and geophysical conference. 12–14 March 2024, Moscow. Tver: PoliPRESS; 2024, p. 297-300. (In Russ.). EDN: BZIHLY.Башкеев А.С. Трофимов И.В., Бухалов С.В., Давыденко Ю.А., Паршин А.В., Прохоров Д.А. [и др.]. Оценка чувствительности технологии БПЛА-МПП с двумя вариантами генераторного контура (петля и линия) на примере объектов палеодолинного типа // Инженерная и рудная геофизика 2023: сб. материалов 19-й науч.-практ. конф. и выставки (г. Санкт-Петербург, 15–19 мая 2023 г.). СПб: СПб.: Изд-во ООО «ЕАГЕ Геомодель», 2023. С. 492–500. EDN: CRXZCF.Bashkeev A.S., Trofimov I.V., Bukhalov S.V., Davydenko Yu.A., Parshin A.V., Prohorov D.A., et al. The sensitivity evaluation of the UAV-TEM technology with two variants of the generator circuit (loop and line) on the example of paleovalley objects. In: Inzhenernaya i rudnaya Geofizika 2023: sb. materialov 19-i nauch.-prakt. konf. i vystavki = Engineering and Ore Geophysics 2023: collected materials of the 19th scientific and practical conference and exhibition. 15–19 May 2023, Saint Petersburg. Saint Petersburg: EAGE Geomodel’; 2023, p. 492-500. (In Russ.). EDN: CRXZCF.Ткачук В.Г., Иванилова Р.Ф., Иванов И.Н. Гидрогеология СССР. Т. XIX. Иркутская область. М.: Недра, 1968. 496 с.Tkachuk V.G., Ivanilova R.F., Ivanov I.N. Hydrogeology of the USSR. V. 19. Moscow: Nedra; 1968, 496 p. (In Russ.).Шевченко В.К., Лахтина О.В., Хазанов В.С., Труш Н.И., Боярский О.Г., Максимова Л.Н. [и др.]. Геокриология СССР. Горные страны юга СССР. М.: Недра, 1989. 358 с.Shevchenko V.K., Lakhtina O.V., Khazanov V.S., Trush N.I., Boyarskii O.G., Maksimova L.N. Geocryology of the USSR. Mountain countries of the south of the USSR. Moscow: Nedra; 1989, 358 p. (In Russ.).Tso C.H.M., Kuras O., Willkinson P.B., Uhlemann S., Chambers J.E., Meldrum Ph.I., et al. Improved characterisation and modelling of measurement errors in electrical resistivity tomography (ERT) surveys // Journal of Applied Geophysics. 2017. Vol. 146. P. 103–119. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2017.09.009.Tso C.H.M., Kuras O., Willkinson P.B., Uhlemann S., Chambers J.E., Meldrum Ph.I., et al. Improved characterisation and modelling of measurement errors in electrical resistivity tomography (ERT) surveys. Journal of Applied Geophysics. 2017;146:103-119. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2017.09.009.Рыскин М.И. Физико-геологическое моделирование как основа геологической интерпретации комплекса геофизических данных // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия «Науки о Земле». 2014. Т. 14. № 1. С. 87–96. EDN: TBRYRV.Riskin M.I. Physical and geological modeling as a basis of geological interpretation of geophysical data complex. Izvestiya of Saratov University. Earth Sciences. 2014;14(1):87-96. (In Russ.). EDN: TBRYRV.Alshehri F., Abdelrahman K. Groundwater resources exploration of Harrat Khaybar area, northwest Saudi Arabia, using electrical resistivity tomography // Journal of King Saud University – Science. 2021. Vol. 33. Iss. 5. P. 101468. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2021.101468.Alshehri F., Abdelrahman K. Groundwater resources exploration of Harrat Khaybar area, northwest Saudi Arabia, using electrical resistivity tomography. Journal of King Saud University – Science. 2021;33(5):101468. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2021.101468.Куликов В.А., Бобачев А.А., Яковлев А.Г. Применение электротомографии при решении рудных задач до глубин 300–400 м // Геофизика. 2014. № 2. С. 39–46. EDN: SECXBL.Kulikov V.A., Bobachev A.A., Yakovlev A.G. Applications of electrical resistivity tomography in deep mining prospecting. Journal Geophysics. 2014;2:39-46. (In Russ.). EDN: SECXBL.Ducut Ju.D., Alipio M., Go Ph.J., Concepcion II R., Vicerra R.R., Bandala A., et. al. A review of electrical resistivity tomography applications in underground imaging and object detection // Displays. 2022. Vol. 73. P. 102208. https://doi.org/10.1016/j.displa.2022.102208.Ducut Ju.D., Alipio M., Go Ph.J., Concepcion II R., Vicerra R.R., Bandala A., et.al. A review of electrical resistivity tomography applications in underground imaging and object detection. Displays. 2022;73:102208. https://doi.org/10.1016/j.displa.2022.102208.Constable S.C., Parker R.L., Constable C.G. Occam’s inversion: a practical algorithm for generating smooth models from electromagnetic sounding data // Geophysics. 1987. Vol. 52. Iss. 3. P. 289–300. https://doi.org/10.1190/1.1442303.Constable S.C., Parker R.L., Constable C.G. Occam’s inversion: a practical algorithm for generating smooth models from electromagnetic sounding data. Geophysics. 1987;52(3):289-300. https://doi.org/10.1190/1.1442303.Portniaguine O., Zhdanov M.S. Focusing geophysical inversion images // Geophysics. 1999. Vol. 64. Iss. 3. P. 874–887. https://doi.org/10.1190/1.1444596.Portniaguine O., Zhdanov M.S. Focusing geophysical inversion images. Geophysics. 1999;64(3):874-887. https://doi.org/10.1190/1.1444596.Marquardt D.W. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters // Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 1963. Vol. 11. Iss. 2. P. 431–441. https://doi.org/10.1137/0111030.Marquardt D.W. An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 1963;11(2):431-441. https://doi.org/10.1137/0111030.Olayinka A.I., Yaramanci U. Use of block inversion in the 2-D interpretation of apparent re-sistivity data and its comparison with smooth inversion // Journal of Applied Geophysics. 2000. Vol. 45. Iss. 2. P. 63–81. https://doi.org/10.1016/S0926-9851(00)00019-7.Olayinka A.I., Yaramanci U. Use of block inversion in the 2-D interpretation of apparent re-sistivity data and its comparison with smooth inversion. Journal of Applied Geophysics. 2000;45(2):63-81. https://doi.org/10.1016/S0926-9851(00)00019-7.Englert A., Kemna A., Zhu J.F., Vanderborght J., Vereecken H., Yeh T.C.J. Comparison of smoothness-constrained and geostatistically based cross-borehole electrical resistivity tomography for characterization of solute tracer plumes // Water Science and Engineering. 2016. Vol. 9. Iss. 4. P. 274–286. https://doi.org/10.1016/j.wse.2017.01.002.Englert A., Kemna A., Zhu J.F., Vanderborght J., Vereecken H., Yeh T.C.J. Comparison of smoothness-constrained and geostatistically based cross-borehole electrical resistivity tomography for characterization of solute tracer plumes. Water Science and Engineering. 2016;9(4):274-286. https://doi.org/10.1016/j.wse.2017.01.002.Балков Е.В., Панин Г.Л., Манштейн Ю.А., Манштейн А.К., Белобородов В.А. Опыт применения электротомографии в геофизике // Геофизика. 2012. № 6. С. 54–63. EDN: RZDIMJ.Baikov E.V., Panin G.L., Manshteyn Yu.A., Manshteyn A.K., Belorodov V.A. Electrotomography – in the geophysics. Journal Geophysics. 2012;6:54-63. (In Russ.). EDN: RZDIMJ.Лазурченко А.В., Шойхонова Т.С., Шкиря М.С., Белова А.Ю., Терешкин С.А. Оценка возможности поиска подземных вод методом электротомографии по данным численного моделирования в условиях, осложненных многолетнемерзлыми породами (на примере территории восточной части Республики Бурятия) // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2024. Т. 335. № 7. С. 81–95.https://doi.org/10.18799/24131830/2024/7/4348. EDN: OIUUYI.Lazurchenko A.V., Shoikhonova T.S., Shkiria M.S., Belova A.Yu., Tereshkin S.A. Evaluation of the possibility of searching for groundwater using electrical resistivity tomography based on the data of numerical modelling in complicated permafrost conditions (the case of the territory in the eastern part of the Republic of Buryatia).Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2024;335(7):81-95. (In Russ.). https://doi.org/10.18799/24131830/2024/7/4348. EDN: OIUUYI.Шойхонова Т.С., Шкиря М.С., Бирюков П.Г., Дунюшин А.А., Башкеев А.С. Инженерно-геофизические исследования методом электротомографии при поиске подземных вод в Бодайбинском районе Иркутской области // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2024. Т. 335. № 6. С. 14–25. https://doi.org/10.18799/24131830/2024/6/4301. EDN: ATZVUU.Shoikhonova T.S., Shkiria M.S., Biryukov P.G., Dunyushin A.A., Bashkeev A.S. Engineering geophysical investigations using electrical resistivity tomography for groundwater exploration in the Bodaibo District of the Irkutsk Region. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2024;335(6):14-25. (In Russ.). https://doi.org/10.18799/24131830/2024/6/4301. EDN: ATZVUU.Ефремова Д.Н., Оленченко В.В., Гореявчева А.А. Двумерная геоэлектрическая модель широтной зональности многолетнемерзлых толщ // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2018. Т. 3. С. 102–107. https://doi.org/10.18303/2618-981X-2018-3-102-107. EDN: PIWRJD.Efremova D.N., Olenchenko V.V., Goreyavcheva A.A. Two-dimensional geoelectric model of the width zonality of permafrost. Interexpo GEO-Siberia. 2018;3:102-107. (In Russ.). https://doi.org/10.18303/2618-981X-2018-3-102-107. EDN: PIWRJD.Захаренко В.Н., Краковецкий Ю.К., Парначев В.П., Попов Л.Н. Об электропроводности многолетнемерзлых горных пород // Вестник Томского государственного университета. 2012. № 359. С. 182–187. EDN: OZOSEJ.Zakharenko V.N., Krakovetskiy Yu.K., Parnachev V.P., Popov L.N. On conductivity of permafrost. Tomsk State University Journal. 2012;359:182-187. (In Russ.). EDN: OZOSEJ.Аузина Л.И., Ланкин Ю.К. Особенности проведения опытно-фильтрационных исследований в районах развития пластов с двойной пористостью // Науки о Земле и недропользование. 2021. Т. 44. № 2. С. 116–124. https:// doi.org/10.21285/2686-9993-2021-44-2-116-124. EDN: NNSOYJ.Auzinaa L.I., Lankin Yu.K. Features of ground inflow testing in the areas of double porosity aquifer development. Earth sciences and subsoil use. 2021;44(2):116-124. (In Russ.). https://doi.org/10.21285/2686-9993-2021-44-2-116-124. EDN: NNSOYJ.Шкиря М.С., Бадминов П.С., Терешкин С.А., Башкеев А.С., Давыденко Ю.А. Роль электротомографии и электромагнитных зондирований в поисково-оценочных работах для водоснабжения Озерного ГОКа // Разведка и охрана недр. 2021. № 12. С. 26–34. EDN: ZFPGZDShkirya M.S., Badminov P.S., Tereshkin S.A., Bashkeev A.S., Davydenko Yu.A. The role of electrotomography and electromagnetic sounding in prospecting and evaluation work for Ozerny Ore Dressing Plant water supply. Prospect and protection of mineral resources. 2021;12:26-34. (In Russ.). EDN: ZFPGZD.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.