CC BY
151
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 Геология Вып. 4 (17)
УДК 550.837
Комплексное применение методов геофизики при решении задач по оценке местоположения, глубины залегания и формы локальных неоднородностей
В.М. Шувалов
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15. E-mail: igeon@psu.ru
(Статья поступила в редакцию 17 декабря 2011 г.)
Представлены данные по применению геофизики с целью оценки местоположения, глубины и формы геологических неоднородностей при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях.
Ключевые слова: геофизика, комплексирование, инженерная геология.
К локальным неоднородностям относятся: зоны трещиноватости и тектонических нарушений, оценки их современной активности; карстовые полости и подземные выработки; погребенные останцы и локальные переуглубления в скальном основании; льды и сильнольдистые грунты; межмерзлотные воды и талики; пластовые льды и грунты с льдистостью более 0,4; повторно-жильные льды [1 - 4].
А) Краткий перечень методов геофизики, применяемых при решении задач по оценке местоположения, глубины и формы локальных геологических неоднородностей
Основные методы. Электроразведка: ВЭЗ, ВЭЗ-МДС, КрВЭЗ, ЕП (ПС), ЭП, ра-диокип, георадиолокация (ИРЗ), ЭП-МДС. Сейсморазведка: МПВ, МОГТ, ВСП, акустические исследования. Расходометрия. Различные виды каротажа. Резистивимет-рия. Газово-эманационная съемка. Гравиразведка. Магниторазведка. Термометрия.
Вспомогательные методы. Электроразведка: ВЭЗ-ВП, радиоволновое просвечивание, ДЭМП, регистрация естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ), георадиолокация, ЧЭМЗ. Сейсморазведка: сейсмоакустиче-
ское просвечивание; сейсмопросвечивание. Микромагнитная съемка (рис.1).
Б) Решение задач при площадных и профильных съемках с помощью методов геофизики
1. Изучение погребенных долин
Задачи обнаружения и прослеживания погребенной речной сети, изучения формы бортов и дна долин входят в инженерную геофизику. Для их решения используют комплекс электро- и сейсморазведки, на ранних стадиях - гравиметрию. Задачи решают при контрасте физических свойств коренных пород и заполняющих долину отложений. Используют методы ВЭЗ и МПВ, позволяющие непрерывно прослеживать поверхность погребенного русла, переуглубления и выступы дна. По данным ВЭЗ оценивают дно переуглуб-ленной долины и проводят расчленение долинных отложений. При их большой мощности используют МОВ.
Поиски и картирование переуглублен-ных долин выполняют методами ВЭЗ, ДЭЗ и разными модификациями ЭП. Точки ВЭЗ располагают по профилям, перпендикулярным к предполагаемому простиранию переуглубленной долины. Рас-
© Шувалов В.М., 2012
стояние между профилями зависит от детальности изучения и варьирует от 50 до 1000 м. Расстояние между ВЭЗ зависит от ширины погребенной долины и выбирается с расчетом, чтобы не меньше двух-трех точек попали в область переуглубленной долины. Разносы зондирований берут в направлении простирания древней долины, чтобы сократить до минимума искажения за счет влияния ее бортов.
Линейные объекты
Площадпые объекты Участки Подземные трубопроводы и кабели
нулевых мест и выемок переходов, путепроводов, к гакад тоннелей
ЕП.ЧЭМЗ, ВИЭП. ВЭЗ-ВП, еюмпз, мов. нсп, ОГП У КС, ВП, МП ЕП, ЧЭМЗ, ВП, МП, НСП ДИП.ВП, МП С, УКС, ВП, МП
ВЭЗ, ВЭЗ-МДС, ЭП, КрВЭЗ, ОГГ, МПВ. ВСП, Г, М, Г-Э, СП,ДЭМП, РВП, РЛЗ,СППБ„ Кар
Рис. 1. Краткий перечень методов геофизики, применяемых при площадных и профильных видах съемки с целью изучения локальных геологических неоднородностей
В дополнение к ВЭЗ для более точного оконтуривания древней долины в плане между профилями ВЭЗ выполняют электропрофили обычной АМ№В установкой с двумя разносами. Разносы ЭП выбирают по кривым ВЭЗ с расчетом, чтобы меньший разнос характеризовал изменения в четвертичных отложениях, а больший - в отложениях древней долины. При наличии крутых берегов в переуглубленных долинах следует применять не симметричные, а комбинированные установки ВЭЗ и комбинированное электропрофилирование (КЭП). Расстояние между точками ВЭЗ в районе склонов древней долины уменьшается до 30 м.
Основные трудности применения сейсморазведки для изучения русел древних погребенных рек связаны с малым различием скоростей сейсмических волн в коренных породах и речных отложениях.
Стандартная методика сейсморазведки не позволяет проследить преломленные волны от крутых бортов погребенных долин. В таких случаях поперечный разрез
долины может быть получен по наблюдениям, выполненным и направленным вдоль долины. Глубины, полученные в точках пересечения этих профилей со створом, откладывают по нормали вдоль линии створа.
Наблюдения проводят по методике просвечивания с использованием скважин, пробуренных в коренных склонах долины. Наиболее точные результаты этот метод дает при резком различии скоростей в коренных и четвертичных породах.
Существующие способы интерпретации непродольных годографов являются приближенными и связаны с предположением, что углы наклона границ не превышают 10 - 150 градусов. Углы наклона склонов глубоких погребенных долин могут быть в несколько раз больше.
Совместное использование сейсмо- и электроразведки обеспечивает полное изучение погребенных речных долин. Даны примеры обоснования гидротехнического строительства в горной части Кавказа, где проводились работы ВЭЗ и МПВ. По сейсмическим данным видна поверхность гранитов, покрытая четвертичными отложениями. Интерпретацию ВЭЗ проводили с учетом данных МПВ о залегании гранитов, соответствующих горизонту высокого КС. Оценено положение нижней границы моренной толщи, которую подстилают пески.
Другой пример - это разрез через долину р. Днепр. Ложе древней долины заполнено озерными и аллювиальными отложениями. По данным МПВ и МОВ прослежена поверхность коренных пород. Данные ВЭЗ позволяют разделять четвертичные породы песков и суглинков. В центральной части профиля в кристаллическом фундаменте имеется тектоническое нарушение. Его изучение является задачей инженерной геофизики. В зонах нарушенных пород уменьшаются плотность и скорость волн. Изменение УЭС зависит от заполнителя трещин и свойств ненарушенных пород. В зоне нарушений изменяются и магнитные свойства горных пород за счет ожелезнения, гидротермальной де-
ятельности и др. Существуют предпосылки применения методов грави-, сейсмо-, электро-, магнито- и термометрии, а также эманационной и гелиевой съемок.
Возможности использования сейсмических методов для обнаружения зон тектонических нарушений основаны на отличии сейсмических свойств трещиноватых пород в зоне тектонических нарушений от пород, находящихся вне ее пределов. Сейсморазведку применяют для обнаружения крутопадающих нарушений, поиски которых геологическими методами затруднены. Указанную задачу решают при картировании невыветрелых коренных пород по параллельным профилям, направленным вкрест системы нарушений.
Тектонические нарушения выявляют по признакам: 1) на наблюденных годографах отмечаются участки повышенных и пониженных значений V; 2) на разностном годографе выделяют участки пониженной и аномально большой граничной скорости; 3) в ряде случаев наблюдается уменьшение интенсивности преломленной волны; 4) отмечаются изменения волновой картины.
Уменьшение скорости наблюдается при пересечении профилем зоны высокой трещиноватости. Зоны окварцевания имеют высокие значения параметра y=Vs/Vр (до 0,7), и это используется для их обнаружения.
На временных разрезах МОГТ зоны тектонических нарушений отмечаются: 1) смещением осей синфазности или изменением их наклона; 2) наличием субверти-кальной узкой зоны разрыва временных осей; 3) наличием локальных участков уменьшения эффективной скорости.
Широко применяют ЭП с помощью ди-польной или комбинированной установки. Вначале используют гравимагнитные и электроразведочные методы. На втором этапе для детализации нарушений и на участках со сложным строением в комплекс включают сейсморазведку (МПВ и МОВ), ГИС и радиопросвечивание.
2. Комплексирование методов геофизики при изучении карста и подземных полостей
Обустройство МПИ и рост площадей для строительства жилых, промышленных и других сооружений обусловливают важность изучения территорий с карстующи-мися породами и подземными полостями, ранее считавшихся непригодными для освоения. Для их изучения применяются перспективные, производительные и эффективные методы ВЭЗ и ЭП.
При залегании опорного горизонта на разных глубинах его трассирование проводят с помощью ВЭЗ и ДЭЗ. На рис. 2 показаны результаты электроразведки в пределах зон развития карста и трещиноватости. При изучении карстующихся пород и полостей с помощью методов геофизики выявляются участки с высокой за-карстованностью и разрушенностью пород, проводятся оконтуривание и оценка размеров подземных полостей или выработок, оценивается глубина залегания кровли закарстованных пород и пустот, изучается гидрогеология карстовых районов.
а
рк Ом-м 3200
Пример интерпретации данных ЭП и ВЭЗ в зоне развития карста
а - графики ЭП; б - геоэлектрический разрез; 1 - песчапо-глииистые четвертичные отложения; 2 - карбонатная толща; 3 - зоны карста; 4 - точки ВЭЗ; 5 - графики отношения рк на двух разносах; 6 - на разносе Л 'В1 -на разносе ЛВ; 8 - значения удельного электрического сопротивления, Омм
Рис. 2. Интерпретация данных ВЭЗ и ЭП в зоне развития карста
1 В 17 18 19 20 2 1 22 23
р, Ом • м
442 В—1 1 1—3 3832 |—1 5902 1—1
: 1 1 5902 И-] 9090 ■
9090 И-1 1 -4 002
3832 1—1 14002 ШШ 2156 а Н1
ЛРх
■ 1 ВО ■№ 0.228 Н 0.934 1 1 1 .зз 1Ш
0.32 1 1 1 0.46 1 И ■ 1в9 ^—1
О-.46 1 Г-1 0.«5в 1 1 1 .8» г—] 2.6Э ■
о .аьо г—| С.934 1 1 2.69 ^
1022 1235 1494 1806 2183 2640 3 19 1 3858 4665 5640 6819 8244 0967
взрыв &аза лужа ! 986 г. лужа
коы&спата сбойка _ . ком&егната сбойка сбойка
I 1 V I 1 4- А
о.о 1 Ц) I 2 3 4 5 6 7 & 9 1011 11> 13 14 15 11> 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 20 т
сбой
3
О 20 40
0.0 1Ю 1 23 4 56789 IО 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2021 22 23 24 25 26 27 28 29 д
'2952 '3983 5374 7250 9783 13199 17809 24030 32422 13746 59025 79639 107452
Рис. 3. Примеры нормализации кривых зондирования, полученных с четырехэлектродной установкой (а - г) и трехэлектродной установкой МЫЛ-ЛМЫ для подземного зондирования (д, е) в условиях штрека (по Колесникову В.П., 2007)
Цель комплексирования в геофизике -повышение однозначности решения задачи. Рациональный комплекс - это сочетание геофизики, геолого-горно-буровых методов, дающих полное решение задачи с наименьшими затратами и в кратчайший срок. Эти условия взаимосвязаны и иногда противоречивы.
При изучении зон трещиноватых и за-карстованных пород, подземных полостей и выработок используют ЭП, ВЭЗ, ДИП, ЕП, микромагнитную съемку, гравиразведку, МПВ, термометрию и эманацион-ную съемку. В случае высоких КС верхних отложений и при наличии на участке скважин для выявления полостей и выработок включают методы РВЗ.
Рост числа методов геофизики ведет к увеличению времени и стоимости работ. Поэтому при комплексировании нужен
отбор методов (один-два), позволяющих сократить дублирование и изучить всю площадь.
Для изучения карста, выявления подземных полостей и выработок методы ЭП и ВЭЗ экономичны, эффективны и производительны и их считают основными.
Выбор рационального комплекса зависит от многих факторов: экономической и геологической эффективности методов, их производительности и простоты проведения полевых работ, совершенства приемов и способов обработки и интерпретации, графического представления результатов и их геологического истолкования.
3. Поиски и разведка подмерзлотных вод
При поисках и разведке подмерзлотных вод при мелкомасштабной съёмке перспективны дистанционные методы. Аэрокосмические наблюдения дают информацию о местоположении региональных тектонических нарушений, местах разгрузки подземных вод. При средне- и крупномасштабных съёмках большое значение приобретают наземные методы: резисти-виметрия, термометрия, ЕП, ЭП.
4. Применение электроразведки при отработке соляных месторождений
Электроразведку применяют для эффективности и безопасности отработки солевых МПИ [2]. Она применяется при изучении тектоники и трещиноватости надсолевых и солевых пород, для оценки физического состояния водозащитной
Библиографический список
1. Богословский В.А., Горбачев Ю.И., Жигалин А.Д. Геофизика: учебник/ под ред. В.К. Хмелевского. М., 2007. 307 с.
2. Колесников В.П. Основы интерпретации электрических зондирований. М.: Научный мир, 2007. 247 с.
толщи (ВЗТ) и водоносных горизонтов. Соль в чистом виде - это диэлектрик для постоянного электрического поля, имеет хорошую проникающую способность для высоких частот. При высоком содержании поровой влаги соль является хорошим проводником (рис. 3).
Электрическими проводниками в солях служат низкоомные прослои и тонкие пачки соленосных глин. Малые изменения влаги, пористости и трещиноватости пород изменяют их УЭС. Высокая чувствительность солей к электропроводности при содержании в них влаги, повышению минерализации подземных вод усиливает информативность ВЭЗ при выявлении участков с высокой обводненностью пород, рассольных горизонтов и при оценке миграции вод. Изучена анизотропия солей. Для сильвинита и каменной соли коэффициент равен 1,4, для карналлита -1,3, для мергельных пород - 1,1.
3. Шувалов В.М. Геофизические методы в инженерной и экологической геологии: учебник/ Перм.гос. ун-т. Пермь, 2009. 605 с.
4. Шувалов В.М. Геофизические методы исследований и интерпретация геофизических данных: учеб. пособие/ Перм.гос. унт. Пермь, 2010. 160 с.
Integrated Application of Geophysics in Addressing Assessment of the Location, Depth and Forms of Local Heterogeneity Summary
V. M. Shuvalov
Perm State National Researching University, 614990, Perm, Bukirev st., 15 E-mail: igeon@psu.ru
Data on the application of geophysics to assess the location, depth and shape of geological heterogeneities in engineering geological and hydrogeological studies are presented.
Key words: geophysics, application, engineering geology.
Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук И.Н. Шестов
