Дистанционное ЯМР-зондирование микроструктуры порового пространства подземных водоносных пластов.

О.А. Шушаков, В.С. Кусковский, Д.В.Грушкин1, В.И. Ящук2, А.С. Кривошеев2, А.В. Легченко3,
E. Fukushima4, S.A. Altobelli4, J.A.Perrin5, A.A. Portselan6

1 студент НГУ (сейчас МЧС, Омск)
2 Южно-Минусинская гидрогеологическая партия
3 IRD, France
4 New Mexico Resonance
5 BRGM, France
6 Гидрогеотом, Москва.
1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Огромна практическая важность развития методов разведки и поиска подземных вод и определения их качества и загрязнений. Темпы использования подземных вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения за рубежом и в нашей стране резко растут. Так, в России 85% сельского населения и почти 60% городского обеспечивается питьевыми подземными водами (в странах Европы доля подземных вод в водоснабжении - в среднем 60%, в США – 75%).

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

В настоящее время доказано, что ядерно-магнито-резонансное (ЯМР) зондирование в геомагнитном поле можно использовать для детектирования подземной воды в соответствующих геологических формациях на глубине до 100 м и более в зависимости от интенсивности естественного или техногенного электромагнитного шума. Количественное определение воды методом ЯМР-зондирования зависит от состава и свойств водоносных пород (в том числе наличия примесей).

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

Макет прибора для ЯМР-зондирования, созданный в ИХКГ СО РАН в 90 годы, обладает уникальной возможностью измерения спин-решеточной и однородной и неоднородной спин-спиновой релаксации с помощью измерения свободной индукции, спинового эха и инверсии-восстановления в геомагнитном поле, и лучшим отношением сигнал-шум по сравнению с аналогами. Исследования скоростей спиновой релаксации позволяют получать информацию о микроструктуре пор и трещин и фильтрационных свойствах коллекторов. Впервые проводились эксперименты на малых глубинах по получению сигналов от известных залежей подземных утечек бензина близ Абакана.

4. Полученные результаты и их значимость.

Измерялись времена релаксации в средне-крупнозернистом песчаном водоносном слое. На основе экспериментальных данных оценивались микроскопические характеристики водоносного горизонта, такие как продольная релаксационная способность, поперечная релаксационная способность, локальный градиент магнитного поля. Наблюдали сигнал со многими скоростями T2* в местах, содержащих бензин и воду. Экспериментальная идентификация сигналов от бензина и воды была сделана на основе проведения измерений гораздо дальше от предполагаемого источника загрязнений и получения только одной T2* компоненты, предполагаемо от воды. Нам не известны никакие другие эксперименты по детектированию поверхностным ЯМР подземных органических загрязнителей, особенно в присутствии воды. Исследовался эффект электромагнитного скин экранирования амплитуды ЯМР и эффект Блоха-Зигерта. Изучалась возможность использования ЯМР-зондирования при гидрогеологическом изучении территории, в частности для решения проблем водоснабжения городов, для водоснабжения объектов газопроводов на севере Западной Сибири.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Авторами сделаны следующие доклады на международных симпозиумах:
1. Shushakov O. A., Legchenko A. V. Surface NMR of groundwater in the Earth’s field, In: 35th experimental nuclear magnetic resonance conference - Pacific Grove, CA USA, 1994, p. 68 (приглашенный)..
2. Shushakov O. A., Legchenko A. V. Non-invasive measurement of proton relaxation times in fine-sand aquifer. In: Resent advances in MR applications to porous media - Louvian-la-Neuve, Belgium, 1995, P 5.
3. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, Saturation of porous aquifers investigation using surface NMR, In: 4th International Conference on Magnetic Resonance Microscopy and Macroscopy, Albuquerque, New Mexico, USA, 1997, p. 33 (приглашенный)..
4. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, Macroscopic diffusion in aquifers studied by surface NMR: experimental and practical aspects, In: Probing into Restricted Geometries: Fundamental Aspects of diffusion in Nuclear Magnetic Resonance, Albuquerque, New Mexico, USA, 1997 (приглашенный)..
5. В.С. Кусковский, В. О. Красавчиков, О. А. Шушаков Использование Гидроскопа для составления гидрогеологических карт, В кн: Историческая и современная картография в развитии Алтайского региона, Барнаул, 1997, с.153 -155 (устный).
6. О. А. Шушаков, В.М. Фоменко Спиновое эхо подземных флюидов. В кн: Материалы международной конференции «Выпускник НГУ и научно-технический прогресс», часть 1, Новосибирск, 1999, с. 82-83.
7. Кусковский В.С., Шушаков О.А., Красавчиков В.О., Дандамаев В.В. Использование ЯМР-томографии для решения проблем водоснабжения городов (на примере г. Горно-Алтайска). //В кн.: Город: прошлое, настоящее, будущее. Проблемы развития и управления на пороге III тысячелетия. Сборник научных трудов под ред. Р.М. Лобацкой и др., Иркутск - 2000, с. 17-21 (устный).
8. Кусковский В.С., Красавчиков В.О., Шушаков О.А. ЯМР-геотомография при гидрогеологических исследованиях. // В кн.: Материалы региональной конференции геологов Сибири, Дальнего Востока и Северо-востока России (гл. ред. А.В. Комаров). Томск - 2000, том. 1, с. 310-312 (устный).
9. Кусковский В.С., Шушаков О.А. ЯМР-геотомография при инженерно-геологических изысканиях на урбанизированных территориях. с. 151-156. // В кн. Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий/ Материалы Международного симпозиума (Гл. ред. В.И. Осипов). – Екатеринбург: Издательство «АКВА-ПРЕСС», 2001 г. – 2 тома 792 с (устный).
10. Кусковский В.С. (ОИГГМ СО РАН, г. Новосибирск), Шушаков О.А. (ИХКиГ СО РАН, г. Новосибирск) Использование «Гидроскопа» при гидрогеологическом изучении территории.// В кн: Научно-методические основы и практика регионального гидрогеологического изучения и картографирования. Материалы второй Всероссийской научно-практической конференции (пос. Зеленый Московской области 20-23 ноября 2001 г.). Часть II. Методы региональных гидрогеологических исследований. Москва 2001. с. 114-117 (устный).
11. О.А. Шушаков, В.М. Фоменко (Институт химической кинетики и горения СО РАН), В. И. Ящук, А. С. Кривошеев (Южно-Минусинская гидрогеологическая партия), E. Fukushima (New Mexico Resonance), В.С. Кусковский (Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии СО РАН) Исследование углеводородных загрязнений подземной воды методом ЯМР// В кн: ENVIROMIS 2002 Международная конференция. Измерение, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне. 6-12 июля 2002 г. Томск, Россия, Программа и тезисы. с. 33 (устный).
12. О.А. Шушаков, В.М. Фоменко (Институт химической кинетики и горения СО РАН), В.С. Кусковский (Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии СО РАН) Использование геофизической ЯМР-томографии при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях. // В кн: ENVIROMIS 2002 Международная конференция. Измерение, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне. 6-12 июля 2002 г. Томск, Россия, Программа и тезисы. с. 40 (устный)..
13. Кусковский В.С., Шушаков О.А. ЯМР-геотомография при инженерно-геологических изысканиях на урбанизированных территориях. Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий. Международный симпозиум – Екатеринбург 3-июля–2 августа 2001 г. (устный).
14. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, V.S. Kuskovsky Surface NMR and its application to hydrocarbon-contaminated aquifers study. Invited lecture. NATO Advanced Study Institute Hydrogeophysics: Improved Subsurface Characterization using Integrated Hydrogeological and Geophysical Data Trest Castle, Czech Republic, July 16-27, 2002 (приглашенный).
15. O.A. Shushakov: Surface-NMR relaxation and spin echo of aquifers //Symposium: “Detection by magnetic resonance”, Friday, 23 January 2004, Arlington, VA. (приглашенный)
16. O.A. Shushakov: Surface-NMR relaxation and spin echo of aquifers in thr gromagnetic field //Seminar 323EPS, Special Department of Chemical and Biological Engineering, Montana State University, Friday, 13 February 2004, Bozeman, MT (приглашенный).
17. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, V.I. Yashchuk, A.S. Krivosheev , E. Fukushima, S.A. Altobelli, V.S. Kuskovsky:Hydrocarbon contamination of aquifers by SNMR detection. //2nd international workshop on the magnetic resonance sounding method applied to non-invasive groundwater investigations, November 19-21, 2003 – Orleans (France) (устный).
18. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, V.I. Yashchuk, A.S. Krivosheev, E. Fukushima, S.A. Altobelli, V.S. Kuskovsky: Hydrocarbon contamination of aquifers by SNMR detection. //Waste Management (WM’04) Symposium, February 29- March 4, 2004, Tucson, Arizona. (стендовый)
19. В.С. Кусковский, О.А. Шушаков, В.М. Фоменко: Изучение подземных вод с помощью ЯМР-томографии //Шестой международноый конгресс “Вода: экология и технология ЭКВАТЕК-2004”, Москва 1-4 июня 2004 г. (стендовый).
20. Кусковский В.С., Шушаков О.А. ЯМР-геотомография при инженерно-геологических изысканиях на урбанизированных территориях. Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий. Международный симпозиум – Екатеринбург 3-июля–2 августа 2001 г. (устный).
21. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, V.S. Kuskovsky Surface NMR and its application to hydrocarbon-contaminated aquifers study. Invited lecture. NATO Advanced Study Institute Hydrogeophysics: Improved Subsurface Characterization using Integrated Hydrogeological and Geophysical Data Trest Castle, Czech Republic, July 16-27, 2002 (приглашенный).
22. O.A. Shushakov: Surface-NMR relaxation and spin echo of aquifers //Symposium: “Detection by magnetic resonance”, Friday, 23 January 2004, Arlington, VA. (приглашенный)
23. O.A. Shushakov: Surface-NMR relaxation and spin echo of aquifers in thr gromagnetic field //Seminar 323EPS, Special Department of Chemical and Biological Engineering, Montana State University, Friday, 13 February 2004, Bozeman, MT (приглашенный).
24. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, V.I. Yashchuk, A.S. Krivosheev , E. Fukushima, S.A. Altobelli, V.S. Kuskovsky:Hydrocarbon contamination of aquifers by SNMR detection. //2nd international workshop on the magnetic resonance sounding method applied to non-invasive groundwater investigations, November 19-21, 2003 – Orleans (France) (устный).
25. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, V.I. Yashchuk, A.S. Krivosheev, E. Fukushima, S.A. Altobelli, V.S. Kuskovsky: Hydrocarbon contamination of aquifers by SNMR detection. //Waste Management (WM’04) Symposium, February 29- March 4, 2004, Tucson, Arizona. (стендовый)
26. В.С. Кусковский, О.А. Шушаков, В.М. Фоменко: Изучение подземных вод с помощью ЯМР-томографии //Шестой международноый конгресс “Вода: экология и технология ЭКВАТЕК-2004”, Москва 1-4 июня 2004 г. (стендовый).
27. O.A. Shushakov, Earth’s-field surface spin echo of aquifer// In: 8th international Bologna conference on magnetic resonance in porous media. Program and Abstracts. Bologna, Italy, 10-14 September 2006, p.62 (устный, стендовый).
28. O.A. Shushakov, Bloch-Siegert effect in magnetic-resonance sounding of aquifers // In: International Symposium and Summer School “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”, Book of Abstracts (Valentina S. Kasperovich Ed.). Saint Petersburg : July 2007, P. 42 (устный).
29. O.A. Shushakov, Earth's-field surface spin echoes of aquifers // In: International Symposium and Summer School “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”, Book of Abstracts (Valentina S. Kasperovich Ed.). Saint Petersburg : July 2007, P. 119 (стендовый).
Авторами получены следующие гранты:
1. РФФИ №03-03-42950, О.А. Шушаков.
2. РФФИ №03-03-42980, О.А. Шушаков.
3. NSF #0329517, 12/12/03, (travel) O.A. Shushakov, Principal Investigator Eiichi Fukushima (New Mexico Resonance).
4. АФГИР(CRDF) № RUG1-1484-NO-04, рук. О.А. Шушаков
5. АФГИР(CRDF) № RUG1-30007-NO-08, рук. О.А. Шушаков
6. Экспедиционные гранты СО РАН 2000-2002, 2004-2009. Рук.: В.С. Кусковский, О.А. Шушаков, В.М.Фоменко

6. Вклад авторского коллектива.

В большинстве работ вкпад авторского коллектива – определяющий (50% и более). В некоторых работах – достаточно велик (не менее 20-30%).

Список прилагаемых статей.
  1. Trushkin D. V., Shushakov O. A., Legchenko A. V. Modulation effects in non-drilling NMR in the Earth's field, Applied magnetic resonance, 1993, v. 5, pp. 399-406.
  2. Шушаков О. А., Легченко А. В. Расчёт сигнала протонного магнитного резонанса от подземной воды с учётом электропроводности среды. - Геол. и геофизика, 1994, т. 35, № 3, с.130-136.
  3. Шушаков О. А., Легченко А. В. Протонный магнитный резонанс от подземной воды в горизонтально-слоистых средах разной электропроводности. - Геол. и геофизика, 1994, т. 35, №10, с. 161-166.
  4. Trushkin D. V., Shushakov O. A., Legchenko A. V. The potential of a noise-reducing antenna for surface NMR groundwater surveys in the earth's magnetic field - Geophysical Prospecting, 1994, v. 42, pp. 855-862.
  5. Trushkin D. V., Shushakov O. A., Legchenko A. V. Surface NMR application to an electroconductive medium - Geophysical Prospecting, 1995, v. 43 , pp. 623-633.
  6. Legchenko A. V., Shushakov O. A., Perrin J. A., Portselan A. A. Noninvasive NMR study of subsurface aquifers in France, In: 65th Ann. SEG Meeting, Houston, 1995, Expanded Abstracts, pp. 364-367.
  7. Shushakov O. A. Groundwater NMR in conductive water - Geophysics, 1996, v. 61, No 4, pp. 998-1006.
  8. Shushakov O. A. Non-invasive measurement of proton relaxation times in medium to coarse-grained sand aquifer- Magnetic Resonance Imaging, 1996, v. 14, No 7/8, pp. 959-960.
  9. Legchenko A. V., Shushakov O. A. Inversion of surface NMR data - Geophysics, 1998, v. 63, No 1, pp. 75-84.
  10. Кусковский В.С., Шушаков О.А. ЯМР-геотомография при инженерно-геологических изысканиях на урбанизированных территориях. с. 151-156. // В кн. Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий/ Материалы Международного симпозиума (Гл. ред. В.И. Осипов). – Екатеринбург: Издательство «АКВА-ПРЕСС», 2001 г. – 2 тома 792 с.
  11. О.А. Шушаков, В.М. Фоменко , В. И. Ящук, А. С. Кривошеев , E. Fukushima , В.С. Кусковский Исследование углеводородных загрязнений подземной воды методом ЯМР. // В кн: ENVIROMIS 2002. Труды конференции (Ред. Ю.П. Гордов), т. 1, с. 20-23.
  12. О.А. Шушаков, В.М. Фоменко , В.С. Кусковский Использование геофизической ЯМР-томографии при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях. // В кн: ENVIROMIS 2002. Труды конференции (Ред. Ю.П. Гордов), т. 1, с. 15-19.
  13. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, V.I. Yashchuk, A.S. Krivosheev, E. Fukushima, S.A. Altobelli, V.S. Kuskovsky: Hydrocarbon contamination of aquifers by SNMR detection. //Proceedings of the 2nd international workshop on the magnetic resonance sounding method applied to non-invasive groundwater investigations, November 19-21, 2003 – Orleans (France) (Eds.: A. Legchenko, H. Fabriol, A. Gimenez). p. 113-116.
  14. O.A. Shushakov and V.M. Fomenko Surface-NMR relaxation and echo of aquifers in geomagnetic field. – Applied magnetic resonance, 2004, v. 25, p. 599-610.
  15. O.A. Shushakov, V.M. Fomenko, V.I. Yashchuk, A.S. Krivosheev, E. Fukushima, S.A. Altobelli, V.S. Kuskovsky: Hydrocarbon contamination of aquifers by SNMR detection. //Proceedings of Waste Management (WM’04) Symposium, February 29- March 4, 2004, Tucson, Arizona / Ed. Gary Benda. WM4566.
  16. В.С. Кусковский, В.М. Фоменко, О.А. Шушаков: Поиски подземных вод с использованием ЯМР на севере Западной Сибири для водоснабжения объектов газопроводов.//Материалы международной научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», Тюмень, 25-27 октября 2005 г. Т. 1. / Под. ред. И.М. Ковенского, Изд-во ТГНУ, 2005, с. 27-28.
  17. В.С. Кусковский, О.А. Шушаков, В.М. Фоменко: ЯМР-зондирование – новый метод гидрогеологических изысканий//В кн.: Сергеевские чтения. Инженерно-экологические изыскания в строительстве: теоретические основы, методика, методы и практика Выпуск 8/ Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (23 марта 2006 г.)/ Под ред. В.И. Осипова. Москва ГЕОС, 2006, с. 315-319.
  18. O. Shushakov Bloch-Siegert effect in magnetic-resonance sounding of aquifers // In: International Symposium and Summer School “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”, Book of Abstracts (Valentina S. Kasperovich Ed.). Saint Petersburg: July 2007, P. 42.
  19. O. Shushakov Earth's-field surface spin echoes of aquifers // In: International Symposium and Summer School “Nuclear Magnetic Resonance in Condensed Matter”, Book of Abstracts (Valentina S. Kasperovich Ed.). Saint Petersburg: July 2007, P. 119.
  20. В.М. Фоменко, О.А. Шушаков, В.C. Куcковcкий Обнаружение загрязнений подземных вод углеводородами - Геология и геофизика, 2008, т. 49, № 3, c. 244—247