Расширение методов поиска углеводородов и подземных вод не теряет своей актуальности. Американские и канадские исследователи относительно недавно сконструировали новый прибор, позволяющий находить разливы нефти под арктическими льдами (см. статью Аркадия Курамшина в июльском номере «ТрВ-Наука» [1]). Принцип действия этого детектора основан на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР): атомные ядра, обладающие магнитным моментом, будучи помещены во внешнее магнитное поле, становятся способны поглощать радиоизлучение, «перебрасывающее» их между состояниями с разными ориентациями их магнитного момента относительно магнитного поля. Это явление широко используется в настоящее время в физике, химии, медицине: например, лежит в основе медицинской магнитно-резонансной томографии (МРТ). Но специфика нового детектора нефти состоит в том, что в нем нет собственных магнитов для создания внешнего магнитного поля, а используется магнитное поле Земли.
Сама идея использования земного магнитного поля в качестве внешнего магнитного поля для ЯМР-детектирования водородсодержащих жидкостей не является новой и была высказана еще в середине прошлого века. Практическое ее применение было реализовано впервые в мире в 1970-х годах в приборе «Гидроскоп», созданном учеными из Института химической кинетики и горения Сибирского отделения Академии наук СССР (ИХКиГ СО АН СССР) под руководством докт. техн. наук Анатолия Григорьевича Семёнова (1924–1990) [2] (рис. 1). «Гидроскоп» предназначен для разведки подземных вод на глубину до 120 м с помощью ЯМР в магнитном поле Земли. Это пример того, как блестящая идея не осталась лишь идеей, а получила свое техническое воплощение. «Гидроскоп» уже несколько десятилетий успешно работает как в пределах России, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья. В конце 1990-х у него появились зарубежные «собратья».
Методика измерения с помощью прибора «Гидроскоп» в ее классическом варианте состоит в следующем. На поверхности земли раскладывается виток кабеля в форме окружности диаметром порядка 100 м, который служит для возбуждения сигнала ЯМР от подземных вод и одновременно является антенной для регистрации этого сигнала (рис. 2). Резонансное возбуждение производится переменным током амплитудой до сотен ампер с частотой, соответствующей ларморовской частоте прецессии протонов в земном магнитном поле в месте измерения (типичные значения — 1,5– 2,5 кГц). По окончании импульса возбуждения антенна переключается на прием, и в случае наличия подземных вод в антенне наводится экспоненциально спадающий ЯМР-сигнал [3].
Использование магнитного поля Земли для наблюдения ЯМР имеет свои достоинства и недостатки. Оно обладает высокой пространственной однородностью (по крайней мере в масштабах порядка десятков метров, характерных для таких исследований) и временнóй стабильностью. А главное, оно пронизывает исследуемый «материал» — толщу земной поверхности, создать в которой в большом объеме искусственное однородное магнитное поле крайне сложно и энергозатратно. Для сравнения скажем, что в лабораторных ЯМР-спектрометрах область однородного магнитного поля, создаваемая входящим в состав прибора электромагнитом, имеет характерный размер порядка сантиметров, т. е. характерный размер исследуемого образца. В МР-томографах эта область достигает размеров порядка метра и расположена внутри магнита.
Очевидный недостаток измерений в магнитном поле Земли связан с его очень низкой напряженностью — примерно на 4–5 порядков ниже, чем в МР-томографах, и почти на 6 порядков ниже, чем в современных высокопольных ЯМР-спектрометрах. Поскольку от напряженности магнитного поля зависит как чувствительность измерений ЯМР (то есть минимальное количество вещества, дающего сигнал, который может быть зарегистрирован), так и их разрешающая способность (то есть способность различить близкие друг к другу спектры), то при измерении в магнитном поле Земли эти главные характеристики, очевидно, сильно страдают. Тем не менее вследствие огромного объема «образца» (десятки тысяч кубических метров) чувствительности прибора оказывается достаточно, чтобы зарегистрировать сигнал ЯМР от подземных вод, расположенных достаточно глубоко (до десятков метров) под землей.
В лабораторных экспериментах выделение близких спектров ЯМР, принадлежащих ядрам атомов, входящих в состав разного химического окружения, является основной задачей, которая как раз и позволяет определять химическую природу веществ или выделить сигнал одного из веществ на фоне других. В этом смысле разрешающая способность ЯМР в земном поле ничтожно мала в силу крайне незначительной величины магнитного поля Земли.
Основной же задачей ЯМР-зондирования является определение самого наличия подземных вод или углеводородов. Для этой задачи более важна пространственная разрешающая способность, т. е. способность отличить слои, насыщенные водой, от безводных слоев. По сути дела, это ЯМР-томография на масштабе порядка 100 м. Однако, в отличие от медицинских томографов, где для сканирования в пространстве имеется возможность создавать управляемый градиент внешнего магнитного поля, при наземном ЯМР-зондировании до глубин порядка 100 м создать подобный градиент магнитного поля практически невозможно. Поэтому в качестве вариативного элемента здесь выступает пространственная неоднородность магнитного поля возбуждающей катушки (антенны). Иначе говоря, антенна (виток провода диаметром порядка 100 м) в процессе генерации ЯМР-сигнала создает в разных точках под землей в один и тот же момент времени разное по величине возбуждающее воздействие. Сканирование происходит путем изменения величины тока зондирующего импульса: т. е. чем больше ток в антенне возбуждения, тем глубже проникает магнитное поле зондирующего импульса и тем больше вклад в итоговый ЯМР-сигнал от глубоко залегающих водосодержащих слоев. Таким образом, получив зависимость амплитуды ЯМР-сигнала от величины импульса возбуждения, мы можем рассчитать обводненность пород по глубине. К сожалению, в данном случае можно говорить о сканировании только по одной координате, т. е. по глубине. Тем не менее при поиске подземных вод во многих практических случаях этого бывает вполне достаточно.
Как упоминалось выше, антенна прибора «Гидроскоп» достаточна велика. Кабель антенны весит порядка 100 кг. Чтобы возбудить сигнал ЯМР от подземных вод на глубине порядка 100 м, необходим мощный генератор. Ток возбуждения в антенне может достигать сотен ампер, а амплитуда напряжения на антенне при этом достигает нескольких киловольт. Поэтому прибор питается от четырех аккумуляторов емкостью не менее 90 ампер-часов каждый, которых хватает примерно на 8 часов работы. Суммарно оборудование (рис. 3) весит порядка 400 кг и поэтому устанавливается на подходящее транспортное средство. ИХКиГ СО РАН для исследований использует автомобиль ГАЗ-66 (рис. 4), но прибор может быть установлен практически на любой внедорожник.
За последнее десятилетие ИХКиГ им. В. В. Воеводского СО РАН выполнил десятки научных и коммерческих проектов с использованием прибора «Гидроскоп». Поиск подземных вод осуществлялся преимущественно на территории России в Ямало-Ненецком автономном округе, в Новосибирской области, в Алтайском крае и республике Алтай, в Татарстане и Башкортостане, в Республике Саха (Якутия). Зарубежные совместные проекты были осуществлены на территории Испании (рис. 5).
В силу своей физической природы использование ЯМР-зондирования при поиске подземных вод наиболее эффективно и может быть особо востребовано там, где традиционные методы наземной геофизики не всегда могут дать однозначную интерпретацию полученных данных, например при поиске таликовых зон в условиях многолетней мерзлоты. При этом ЯМР-зондирование может быть использовано как для проверки результатов измерений, выполненных другими геофизическими методами, так и непосредственно для поиска подземных вод.
Василий Птушенко,
канд. физ.-мат. наук, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ, ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семёнова РАН
Евгений Кальнеус,
канд. физ.-мат. наук, Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН
Авторы благодарны
всем сотрудникам ИХКиГ СО РАН
за помощь в поисках и идентификации архивных фотографий
- Курамшин А. И. Вращается винт, и вращается атом, и найдена нефть подо льдами, ура! // ТрВ-Наука. № 282 от 02.07.2019.
- Semenov A.G., Schirov M.D., Legchenko A.V., Burshtein A.I., Pusep A.Yu. Device for measuring the parameter of underground mineral deposit. 1989. G.B. Patent 2198540B
- Подробнее о методе и примерах его применения см.: Кальнеус Е. В., Кусковский В. С., Шубин А. А., Бизин М. А., Новоселов В. Б. Методика поверхностного ЯМР-зондирования для поиска и разведки подземных вод // Подземная гидросфера: Материалы Всерос. совещ. по подземным водам востока России (Юбилейное XX Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока). 2012. С. 523–526; Кальнеус Е. В., Бизин М. А., Максимова Е. А., Козак С. З. Особенности применения ЯМР-зондирования для поиска подземных вод в криолитозоне Западной Сибири // Подземные воды востока России. 2018. С. 243–247.