CC BY
39
ФИЗИКА И МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ
УДК 631.437-435+550.83(7.311-.017)
ИЗУЧЕНИЕ ПОЧВЕННО-ГРУНТОВОЙ ТОЛЩИ С ПОМОЩЬЮ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ
A.B. Кириченко, Б.Е. Кондрашкин, Ю.В. Егоров, К.М. Тен
Применительно к исследованию в области почвоведения апробирована новая методика интерпретации данных вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) почвенно-грун-товой толщи. На основе изучения прохождения электрического тока в неоднородной среде и на нетрадиционном решении уравнения Лапласа выведены формулы расчета удельного электрического сопротивления (р/) слоев, слагающих толщу. Вычислены р/ слоев, мощность и границы раздела при изменении с глубиной их свойств — литологии, естественного состава, влажности, засоления и т.д. Значения р/, рассчитанные по предложенным формулам при использовании данных ВЭЗ, а также лабораторные измерения этого показателя образцов почвогрунта хорошо согласуются и коррелируют. В отличие от традиционной, в частности от программы IPI2win, предлагаемая методика более информативна.
Ключевые слова: почвогрунт, геофизика, электрическое сопротивление почв.
Введение
Известно, что разные этапы развития методов геофизики имеют разные уровни технологий исследования, которые определяют геологическую и экономическую эффективность [1, 5]. Для их применения главными являются районы, где проводятся поиски углеводородных и рудовмещающих образований; условно второстепенными — где с использованием геофизических методов проводятся гидрогеологические, инженерно-геологические, геоэкологические, геокриологические и другие исследования. К остальным правомерно отнести объекты, где с помощью геофизики изучается почвенно-грунтовая толща с целью рационального использования земель для решения народно-хозяйственных задач. В данном направлении мы сравнили две методики — традиционную и новую, предложенную в 2008 г. впервые в России К.М. Теном [4] с соавторами [2], где представлены основы теории и практики метода сопротивлений. Сущность работы заключается в коренном изменении всех составляющих электроразведки.
• Дано нетрадиционное решение уравнения Лапласа, где получены альтернативные формулы для решения прямой и обратной задач ВЭЗ, причем последнее достигнуто без какой-либо априорной информации.
• Методика работ предлагает динамичные схемы наблюдения ВЭЗ, что означает детальность получения функции кажущегося удельного сопротивления на любом заданном интервале глубин.
• Дано теоретическое и практическое решение задачи глубинности ВЭЗ, где коэффициент глубинности К коррелирует и устанавливает однознач-
ную связь глубины зондирования симметричной установки АМКБ с ее линейными размерами. Глубина зондирования равна величине разноса АВ, умноженной на К. Последний снимается с графика К = f (МК/АБ). Максимальная глубина зондирования равна 0,5 АВ при условии МК/АБ < 0,1 (рис. 1). Этот элемент разработки снимает вопрос о многозначности определения мощности слоя в разрезе, являющейся одним из параметров при решении обратной задачи ВЭЗ.
• Методика обработки и интерпретации ВЭЗ.
• Создание петрофизической основы для геологической интерпретации удельных электрических сопротивлений слоев разреза, позволяющей однозначно определить состав и свойства пород, залегающих в естественных условиях среды.
Применительно к изучению почвенно-грунто-вой толщи особенности методики работы и интерпретации полученных материалов заключались в следующем.
Наблюдения ВЭЗ по заданным профилям выполнялись с помощью многофункционального электроразведочного измерителя (МЭРИ) с фиксированными значениями тока. Расстояние между точками измерения — в среднем 100 м.
0,5
0 0,5 MN/AB 1,0
Рис. 1. Зависимость Kh = /(MN/AB)
Заданная глубина по всем точкам наблюдения ВЭЗ равнялась 31 м, шаг АВ варьировал в пределах 15—100 см. Геофизическую интерпретацию ВЭЗ производили с помощью формулы
Р/ - Рк(г)
+
й Р к (г)
йг
(1)
АВ „
где г - — - Н. 2
Формулу (1) можно записать так:
Р
_ Як(/) - Як(/-1) _ Як(/) - ЯК(/-1)
(2)
где Як - АВ ' Рк, АВ = Н — мощность толщи +
+ Н2 + ... + Нп), — мощность /-го слоя.
Геологические характеристики микротонких слоев почвенно-грунтового разреза определяли с помощью формулы
Р-
Яск • ЯВ
Яск + Я
где рп — удельное электрическое сопротивления породы, Яск — сопротивление скелета породы, ЯБ — сопротивление воды. В зоне неполного водонасы-щения параметр ЯБ заменяется Я влажности (Ж, %).
Для проверки результатов интерпретации ВЭЗ были пробурены скважины. В отобранных из них пробах полевым и лабораторным методами опре-
деляли геологические и электрические параметры. Удельное сопротивление в пробах, взятых до глубины 6 м, определяли в лаборатории с помощью четырехэлектродного датчика (измерителя ячейки) — кюветы из органического стекла объемом 36 см. Образцы в поле тщательно упаковывали в водонепроницаемую полиэтиленовую пленку для сохранения естественной влажности.
Основная задача исследования заключалась в оценке возможности новой технологии ВЭЗ для микродетального геоэлектрического расчленения грунтовой толщи и определения литологического состава микрослоев, слагающих разрез.
Работы, проведенные во Владимирском Ополье под Суздалем, иллюстрируют рисунки 2, 3 и 4. На них представлены графики электрического сопротивления кажущегося (рк) и истинного (р/), построенные при помощи предлагаемого метода и программы 1Р12топ, используемой в геофизике для интерпретации ВЭЗ. Сравнение результатов показало, что программа 1Р12тп менее информативна и не может дать столь дробной характеристики слоев, слагающих геоэлектрический профиль, как предлагаемый выше метод; это подтверждено определениями натурных измерений образцов 4-электрод-ным датчиком.
Анализ геофизических и геологических характеристик, измеренных с помощью датчика и определяющих достоверность данных интерпретации ВЭЗ, показывает, что удельное электрическое сопротивление образцов в абсолютных значениях (Ом • м) меньше полученных по результатам ВЭЗ. Различие
Рис. 2. Графики удельного электрического сопротивления (я) (7 — измеренное в лаборатории с помощью датчика, 2 — вычисленное по данным ВЭЗ с помощью формулы (2), 3 — кажущееся) и влажности (б) (7 — образцы в датчике, 2 — полевая) в точке ВЭЗ-1
Рис. 3. Сопоставление значений удельного электрического сопротивления (точка ВЭЗ-1) до глубин 3000 см (я) и 300 см (б): 7 2 3
связано с нарушением плотности и структуры в объеме измерительной ячейки.
Значительный интерес представляет влажность пород (Ж, %), залегающих в естественных условиях среды, величины которой согласуются (коррелируют) с данными их удельных сопротивлений (рис. 2, б).
На рис. 4 представлен геолого-геофизический разрез, характеризующий грунтовую толщу одного из профилей участка. Индикация литологиче-ской принадлежности основана на применении пет-рофизического моделирования, позволяющего без сопровождения наблюдений ВЭЗ бурением и другими методами исследования определить состав и свойства пород. Приведем пример конструирования наиболее простой модели среды. Допустим, что на диаграмме распределения удельных сопротивлений максимальные значения имеют чистые, без примеси глинистых частиц, пески (рпс -- 80 Ом • м). Требуется определить минерализацию в г/л:
рпс -
п
(3)
где рв — удельное сопротивление воды, п — пористость песка (в среднем равная 0,4);
рв
- Ф)
,
ц
(4)
где с (^) — температурная постоянная, которая для геологической толщи, мощностью до 500 м, в сред-
нем равна 8; ц — минерализация воды. Тогда по формуле (3) произведем расчет рв:
рв - рпс • п - 80 Ом • м • 0,4 - 32 Ом • м.
Далее, используя формулу (4), вычислим ц:
с (*) 8 ,
ц - —^ - — - 0,25 г/л. ^ рв 32 ' '
Таким образом, удельное сопротивление песков, равное 80 Ом • м, содержащих в себе подземную воду, обусловлено минерализацией, равной 0,25 г/л, что соответствует результатам химического анализа.
По аналогии с приведенным примером осуществляли определение литологического состава микрослоев разреза, выявленных с помощью опробованной технологии [2, 4]. С этой позиции рассмотрим разрез, основной задачей в котором является установление выдержанных по мощности и удельному сопротивлению микрослоев и количественных соотношений составляющих их компонентов.
Число микроэлектрических слоев, соответствующих геологическим, связанное со стабильными значениями удельного сопротивления, получено по данным трех точек ВЭЗ (рис. 4).
Степень достоверности наличия в разрезе тонкослоистых отложений определяется как качественными, так и количественными показателями электрических параметров. Например, слой I по трем точкам ВЭЗ (3, 2, 1а) характеризуется коли-
Рис. 4. Геолого-геофизический профиль 1-1: 1 — почвенный слой с удельным электрическим сопротивлением 10—70 Ом • м и содержанием глинистых частиц 60—6% от единичного объема соответственно; 2 — глины с р = 15^-30/60^-29 (в числителе — удельное электрическое сопротивление слоя, Ом • м, в знаменателе — содержание глинистых частиц, % от единичного объема); 3 - с^линки (р = 35^-50/25^-13); 4 - супеси (р = 60^-70/10-^6); 5 — точка ВЭЗ и ее номер; 6 — номер слоя)
чественным параметром, колеблющимся в пределах 10—70 Ом • м, и качественным показателем — из-
менением сопротивления, что связано с условиями его залегания па границе земля—воздух.
Слой II мощностью 1,5—2 м имеет удельное сопротивление в среднем 15 Ом • м, что обусловлено одинаковым соотношением в нем компонентов породы. Аналогичным образом определяли индикацию литологической принадлежности других тонкослоистых образований разреза грунтовой толщи.
Визуальные (макроскопические) определения грунтов по образцам, взятым из скважины, в отношении их классификации являются приближенными, так как они характеризуют широкий диапазон содержания глинистых компонентов. В свете сказанного эти разновидности пород с помощью связи между удельным сопротивлением в целом единичного объема и отдельными его компонентами были подразделены на более дробные — по числу глинистых частиц (в процентах) — категории грунтов.
Подводя итоги, можно сделать следующие выводы.
• Впервые применение ВЭЗ как альтернативного метода определения сопротивлений при исследовании почвенно-грунтового разреза дало положительные результаты. С помощью ВЭЗ реализовано детальное расчленение многослойной грунтовой толщи на микрогеологические слои, соответствующие природным геологическим образованиям.
• Нетрадиционные петрофизические основы геологической интерпретации данных удельных электрических сопротивлений позволяют определять геологические характеристики грунтов без сопровождения ВЭЗ бурением, без сведений о физических свойствах пород и геологическом строении объекта исследования.
• Предлагаемый метод исследования может оказать существенную помощь при решении народнохозяйственных мелиоративных задач по оптимальному внесению удобрений, поливов или осушительных мероприятий в зависимости от состава и структуры пород и содержания в них влаги.
• Предложенная методика расчета удельного электрического сопротивления позволяет выделять в пределах исследуемого разреза на любой желаемой глубине тонкие слоистые образования мощностью не менее 0,1—0,2 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Огилъви А.А. Геофизические методы исследования. М., 1962.
2. Попов Е.А., Тен К.М., Фунтиков Г.Н. и др. Методические рекомендации по использованию ВЭЗ для детального расчленения разреза при решении гидрогеологических и инженерно-геологических задач. М., 1990.
3. Пылаев A.M. Руководство по интерпретации вертикальных электрических зондирований. М., 1968.
4. Тен К.М. Альтернативная электроразведка. М., 2008.
5. Хмелевской В.К. Электроразведка. М., 1984.
Поступила в редакцию 25.03.2010
STUDYING OF SOIL-GROUND THICHNESS BY MEANS
OF NEW TECHNOLOGY OF ELECTROINVESTIGATION
A.V. Kirichenko, B.E. Kondrachkin, Y.V. Egorov, K.M. Ten
Field works and laboratory investigations are realized by higher aforesaid method were showed positive results. Obtained values of specific electric resistance calculated on offering equations by using datas of the vertical electric probe (VEP), and also laboratory measures p of the soil and ground samples are accorded and correlated well. In contrast to traditional programs in particularly program IPI2win our method is more informative.
Key words: soil-ground, geophysics, electric resistance of soils.
Сведения об авторах. Кириченко Анатолий Валентинович, канд. биол. наук, науч. сотр. каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел. 939-36-84. Егоров Юрий Валентинович, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тен Константин Макарович, докт. геол.-минерал. наук, ООО «Ветеран ЛТД». Кондрашкин Борис Евгеньевич, аспирант каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова.
