CC BY
86
УДК 550.837
ПЕТРОФИЗИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ
РЫХЛЫХ ГРУНТОВ
В.А.ШЕВНИН1, Д.А.КВОН1, А.А.РЫЖОВ2
1 Московский государственный университет, Москва, Россия
2 ВСЕГИНГЕО, Московская обл., Ногинский район, пос. Зеленый, Россия
Рассмотрена связь геоэлектрических параметров: сопротивления, поляризуемости и нормированной поляризуемости (р, п, Мп), - и поверхностной проводимости (БС или а") грунтов в данных вертикального электрического зондирования с измерением вызванной поляризации (ВЭЗ-ВП), электропрофилирования с измерением вызванной поляризации (ЭП-ВП) и частотных характеристик с измерением вызванной поляризации (ЧХ-ВП). Показано, что поверхностная проводимость может быть определена как по данным спектральной ВП, так и по сопротивлениям грунта с помощью петрофизического подхода. При этом нормированная поляризуемость (Мп) равна поверхностной проводимости (БС). В свою очередь величина БС пропорциональна глинистости. Рост глинистости приводит к снижению гидравлической проводимости. Для истолкования результатов ЭП-ВП полезно изучать совместно графики трех параметров (р, п, Мп). В зоне аэрации неполная влажность заметно влияет на величины геоэлектрических параметров. Изучить влияние влажности помогает петрофизическое моделирование.
Ключевые слова: рыхлый грунт, электрическое сопротивление, поляризуемость, петрофизические свойства грунтов, глинистость, поверхностная проводимость, коэффициент фильтрации
Как цитировать эту статью: Шевнин В.А. Петрофизический подход к электрическим свойствам рыхлых грунтов / В.А.Шевнин, Д.А.Квон, А.А.Рыжов // Записки Горного института. 2017. Т. 226. С. 397-404. Б01: 10.25515/РМ1.2017.4.397
Введение. Настоящая работа выполнена под влиянием идей А.А.Рыжова и А.Веллера.
A.А.Рыжов раскрыл возможности петрофизического подхода, показав, что сопротивление грунтов может быть описано теоретически в прямой задаче (расчет сопротивления по известным пет-рофизическим параметрам) и в обратной задаче (оценка петрофизических параметров по измеренным геофизическим характеристикам: сопротивлению грунта, воды и др.). А.Веллер показал, что давно известный параметр вызванной поляризации (ВП), называемый в рудной геофизике металл-фактором, а в гидрогеофизике нормированной поляризуемостью Мп = /рк (где - поляризуемость, рк - сопротивление), тесно связан с поверхностной проводимостью. Металл-фактор был предложен американскими геофизиками в конце 1950-х годов. В инженерной геофизике Н.Н.Шарапановым был предложен параметр ВП: А* [7], аналогичный металл-фактору.
B.А.Шевнин изучал этот параметр в 1970-х годах при работах в Центральном Казахстане [3].
Петрофизические и электрические параметры грунта
Параметр Известный 1 Неизвестный 1 Известный 2 Неизвестный 2 Зависит от
1. Температура + - + -
2. р_воды + - + -
3. р_грунта + - + -
4. Пористость песка + - - F
5. Я_песка + - - F
6. Пористость глины - F + -
7. Я_глины - F + -
8. ИОЕ_глины - F + +
9. Влажность + + + +
10. Глинистость - + - +
11. ИОЕ - + - +
12. Пористость грунта - + - + /(4, 6, 10)
13. К - + - + / (10)
14. ЯБС - + - + /(2, 8, 10)
Примечание. Я - радиус капилляра, ИОЕ - ионообменная емкость, К/ - коэффициент фильтрации, ИБС - сопротивление (величина обратная поверхностной проводимости); цифра 1 означает преобладание песка, цифра 2 - глины; плюсом обозначена известная величина, минусом - неизвестная или незначимая, F - рекомендуемая величина.
Методика. Описание теории связи петрофизических свойств грунтов с удельным электрическим сопротивлением было опубликовано А.А.Рыжовым в работе [6], а затем более детально в работе [2]. Грунт рассматривался как смесь двух фракций: крупнозернистой и мелкозернистой (например, песка и глины), - и поровой влаги в грунте. Сопротивление грунта зависит от пористости и радиуса капилляров каждой фракции, их долей в смеси, влажности и солености (или сопротивления) поровой влаги, ионообменной емкости и температуры. Когда параметры 1-2 и 4-10 (см. таблицу) известны, можно рассчитать сопротивление грунта и параметры 11-14. Когда экспериментально определены параметры 1-9, можно в ходе решения обратной задачи найти параметры 10, 11, а потом и 12-14.
Был выполнен 2В-разрез сопротивления, результат его пересчета в разрезы глинистости и коэффициента фильтрации показан на рис.1. Известно, что электрическая проводимость горной породы может быть представлена суммой электролитической а' и поверхностной о" проводимости: а = а' + о" [14]. В работе [10] авторы предложили модель двойной воды (dual-water model), в которой проводимость породы является суммой электролитической проводимости о' (воды в широких порах) и поверхностной проводимости о" (воды в узких порах глины). Электропроводность является комплексной величиной, ее действительная часть отражает электролитическую о' (водного раствора), а мнимая - поверхностную о'' проводимость (связанную с двойным слоем в узких капиллярах). Ф.Борнер [9] показал, что о'' связана с Spor (относительная поверхность пор - отношение поверхности поры к ее объему) и с гидравлической проводимостью Kf (коэффициентом фильтрации). Возможность оценки гидравлической проводимости по данным спектральной ВП была показана в работах [12, 13].
Существуют два подхода к оценке поверхностной проводимости: с помощью метода СВП -спектральной вызванной поляризации [12, 13, 15] и с помощью петрофизического подхода к данным метода сопротивлений, разработанного А.А.Рыжовым [11]. В программе А.А.Рыжова «Петро» поверхностная проводимость рассчитывается по формуле aSc = CCiayaciay IKciay (где CCiay -глинистость; aclay - проводимость глины, которая зависит от солености поровой влаги и ионообменной емкости; Kclay - коэффициент пористости глины). Эти параметры определяются по сопротивлению грунта (УЭС) и солености поровой влаги с учетом модели грунта [5]. Часто вместо поверхностной проводимости мы используем ее обратную величину - сопротивление RSc [11].
В 2000-2007 годах, изучая места нефтяных загрязнений грунтов, мы обнаружили, что поверхностная проводимость давала максимальную разрешающую способность к разделению чистого и загрязненного грунта по сравнению с сопротивлением и рядом петрофизических параметров [11]. Разрешающая способность оценивалась по величине индекса разделения гистограмм SI = dX / stnd (где dX - расстояние между максимумами гистограмм для чистых и загрязненных грунтов; stnd - стандартное отклонение, мера ширины гистограмм).
Параметр RSc на рис.2 был нормализован так, чтобы его значения больше нуля относились к чистому грунту, а отрицательные - к загрязненному. Он показал SI = 6 или по правилу трех сигм -полное разделение гистограмм. Для УЭС индекс разделения был ниже (SI = 2,5, рис.2). Поверхностная проводимость для загрязненного нефтью грунта связана с биодеградацией нефти (ее эмульсификацией и появлением биопленок - скоплений бактерий в порах породы), что приводит к изменению структуры порового пространства и к росту роли двойного электрического слоя (ДЭС) из-за роста числа тонких пор.
В работе [15] авторы показали высокую корреляцию (R2 = 0,907) Mn и поверхностной проводимости (рис.3). Авторы установили, что отношение Mn /о" = 0,2.
Мы проверили корреляцию Mn и Sc (о") по данным вертикального электрического зондирования с измерением вызванной поляризации (ВЭЗ-ВП) и электропрофилирования с измерением вызванной поляризации (ЭП-ВП), полученным в Калужской области (на базе геофизической практики студентов МГУ). Величина Sc оценивалась по УЭС грунта в программе А.А.Рыжова «Петрофизика» [2]. У нас отношение Mn/Sc оказалось равным единице, т.е. Mn просто равно поверхностной проводимости Sc. Такое различие вызвано тем, что поляризуемость сильно меняется в зависимости от условий эксперимента.
На рис.4 видны две группы точек (два облака), полученных из количественной Ш-интер-претации данных ВЭЗ-ВП. Более высокие значения Mn и Sc соответствуют суглинкам, второе облако - с меньшими значениями Mn и Sc - пескам.
В.А.Шевнин, Д.А.Квон, А.А.Рыжов
Петрофизический подход к электрическим свойствам рыхлых грунтов
г, м О 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120 Х,м
15 25 40 67
1 :: ;-;•! р, Омм
б
-2 -4 -6 -8
г, м ■ ■ ■ : ■ ■ - X, м
Глина, %
в
-2 -4 -6 -8
г, м ¡: * ^ ."М ^ -;.■-. .ч, \!> >■.:•; |<и м: |.-.ч!Х, м
1!,!:!Г ii.il!;-. И. I)- и.;- | к, м/сут
Рис.1. Пример 2Б-разреза сопротивления (а), пересчитанного в разрезы глинистости (б) и коэффициента фильтрации (в)
/ % =
1—I—Г"
,ч:-| п.». р, Ом-м
/, % 40 -
2,4 Норм _ЯБС
Рис.2. Гистограммы УЭС и сопротивления ЕБС грунта, связанного с его поверхностной проводимостью, и индекс разделения чистого и загрязненного грунта
а
В.А.Шевнин, Д.А.Квон, А.А.Рыжов
Петрофизический подход к электрическим свойствам рыхлых грунтов
10
0,1
0,01
SC 0,1
0,01 —
100
а", мСм/м
0,001
0,001
0,01
0,1 Mn
Рис.3. КорреляцияMn и поверхностной проводимости а" [15] Рис.4. Корреляция значенийMn = n/p и поверхностной
1-4 - разные коллекции грунтов; 5 - линия корреляции M„ = 0,2а" пр°водим°сш даш истттк шр^етрот ото®
(Ш-интерпретация) профиля ВЭЗ-ВП (база МГУ «Малое Устье», июль 2014 г.)
0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100
Частота, Гц
Рис.5. Зависимости Mn = n/p от частоты для образцов 1-4 [8]
1
Были построены графики Мп от частоты (0,3-78 Гц) для четырех образцов грунта, собранных на профилях ЭП-ВП (рис.5) [8]. Мы ясно увидели преимущество параметра Мп в разделении кривых по глинистости (кривая 4 соответствует максимальной глинистости, а кривая 1 - минимальной). Подобные частотные характеристики (ЧХ) измерялись в ходе работ по ЭП-ВП в 20142016 годах. Частотные характеристики по величине Мп делились на два облака: верхнее для суглинков и нижнее для песков. Верхняя часть разреза той территории практики, где выполняли ЭП-ВП, в основном была сложена песками и суглинками, что и привело к такому четкому разделению кривых. Нужно отметить, что зависимости пк от частоты так четко, как Мп, не разделялись.
При профилировании (ЭП-ВП) добавление к графикам пк и рк еще и нормированной поляризуемости Мп помогает лучше понять структуру изучаемого разреза (рис.6). Геологический разрез определен с помощью электротомографии 23.06.2015 г. В разрезе сверху вниз залегают слои песка, моренных суглинков, еще один прослой песка и суглинков основания разреза. Реальный разрез отличался от идеализированной схемы наличием тонкого слоя осыпи на склоне, маскирующего реальные выходы границ слоев.
ть%
0,2
0,1 0,07
20 фу 6= ✓ ✓ 1* 9, • 1 • Ц У »1 2
у
22- 1*1 21
•з 1 4 4
* 23 ; 1:
7 * • \2
У ✓ а ■
У ✓ 1 1! 18 • 10
✓ у у У у • / 7 19 • 11
- А
6
✓
/ I 1 1 I I I
0,001
0,01
0,1 Мп
Рис.7. Корреляция значений п ВП и Мп для образцов 1-24
К 2
0,5
0,3 0,2
0,1
0,05
0,03 0,02
0,01
0,005
\ Г
--•А-------- _________________
\ 1
0 1
° N А о о
\! 1 0 ОО О
V О
1 1 <9 оо
~ 1 ----------о------ \ о
о
I 1 \ о
1 1 \
1 1 1 1 ° \
1 1 ____________А__
........1 ...... 11 1
0,001 0,002
0,005 0,01 0,02
Рис .8. Корреляция К и Мп
0,05 0,1 Мп
Исследование ЭП-ВП выполнялось установкой Шлюмберже с АВ = 5 м, МЫ = 1 ми шагом 1 м с аппаратурой «Астра-МЭРИ» на частоте 2,44 Гц. Измеритель МЭРИ показывал дифференциально-фазовый параметр (ДФП) для 1-й и 3-й гармоник сигнала, также регистрировались амплитуды 1-й и 3-й гармоник. По ДФП вычислялась поляризуемость = -2,5 ДФП, а по амплитудам 1-й и 3-й гармоник - процентный частотный эффект (РЕЕ) и логарифмический частотный эффект (£ЕЕ). По амплитуде 1-й гармоники и силе тока рассчитывалась величина рк. Графики ЭП-ВП сглаживались в скользящем окне шириной 5 точек.
Сопоставляя графики ЭП-ВП с рельефом и схематическим геологическим разрезом, можно видеть реакцию каждого параметра на переход через геологические границы. Выход нижнего слоя песков на склон дает резкий рост сопротивления, максимум поляризуемости, уменьшение Мп (в интервале профиля X = 27^33 м). Слой суглинков между двумя слоями песков (X = 33^40 м) проявляется минимумом поляризуемости и Мп. Выход профиля на верхний слой песков при увеличении его мощности приводит к слабому росту сопротивления и поляризуемости при стабильном уровне Мп.
На территории учебной практики были собраны образцы грунта (с поверхности и из скважин) для измерений в лаборатории УЭС грунта при разной солености, замеров поляризуемости и Мп от частоты. Графики УЭС от солености количественно интерпретировались для оценки глинистости образцов. Корреляция поляризуемости и Мп образцов показала (рис.7), что с ростом Мп возрастала и поляризуемость. Эта зависимость несколько различалась у образцов пород, измеренных в лаборатории при полном водонасыщении, и у образцов, измеренных в поле, где породы частично находились в зоне аэрации и влажность пород заметно менялась, сильнее для песков, слабее для суглинков.
1
1
В.А.Шевнин, Д.А.Квон, А.А.Рыжов
Петрофизический подход к электрическим свойствам рыхлых грунтов
На рис.8 представлена корреляция гидравлической проводимости К/ и Мп для той же коллекции образцов. Установлено, что К/ с ростом Мп заметно убывает.
Влияние влажности грунтов в зоне аэрации может быть изучено с помощью метода ВЭЗ-ВП [4]. Конечный результат такого исследования показан на рис.9 для Александровского плато, сложенного песками. Ниже 10 м в зоне полного водонасыщения объемная влажность равна пористости песка (23 %). Зона капиллярного поднятия имеет мощность 1 м (мелкозернистый песок). В верхней части капиллярной каймы (КП) влажность составляет около 20 % от влажности на уровне грунтовых вод (УГВ) [1]. Выше капиллярной каймы влажность убывает, достигая вблизи поверхности земли 1 % (сопротивление песка при этом составляет (5-10)103 Омм). Почвенный слой представлен легкими суглинками, и в его пределах влажность возрастает. Там, где влажность песка составляет 2-5 %, метод ВЭЗ-ВП отмечает заметный рост поляризуемости (от 0,5 до 2,8 %) [5].
Выводы
0
1 2
3
4
5
6
S
S 7
ю £ 8
9
10 11 12
13
14
15
1
2
5 10 Влажность, %
20
2500 р, Омм
0,8 Л, % 1400
550 0,5 120
1. Величины поверхностной проводимости, рассчитанные из данных ВП и из данных метода сопротивлений, совпадают.
2. Нормированная поляризуемость Мп по нашим данным равна поверхностной проводимости.
3. Уровень графиков Мп от частоты отражает глинистость грунта.
4. Графики профилирования ЭП-ВП рк, пк и Мп, изучаемые совместно, позволяют лучше понять строение разреза и его литологию.
Рис.9. Изменение влажности с глубиной по данным ВЭЗ-ВП
ЛИТЕРАТУРА
1. Лыков A.B. Тепломассообмен: Справочник. 2-е изд, перераб. и доп. M.: Энергия, 1978. 480 с.
2. Матвеев B.C. Геофизическое обеспечение региональных гидрогеологических, инженерно-геологических, геокриологических и геоэкологических исследований / В.С.Матвеев, А.А.Рыжов // Разведка и охрана недр. 2006. № 2. С. 50-57.
3. Модин И.Н. Обработка данных ВП для выделения и оценки перспектив слабых аномалий поляризуемости / И.Н.Модин, В.А.Шевнин // Прикладная геофизика. 1985. Вып. 113. С. 33-42.
4. РыжовА.А. О повышенной поляризуемости песка, вызванной влажностью / А.А.Рыжов, В.А.Шевнин // Геофизика. 2014. № 6. С. 30-38.
5. РыжовА.А. Петрофизический подход к данным малоглубинной электроразведки / А.А.Рыжов, В.А.Шевнин, Д.А.Квон // Инженерная, угольная и рудная геофизика - 2015: Материалы конференции. М.: Межрегиональная общественная организация Евро-Азиатское геофизическое общество, 2015. С. 26-30.
6. Рыжов А.А. Расчет удельной электропроводности песчано-глинистых пород и использование функциональных зависимостей при решении гидрогеологических задач / А.А.Рыжов, А.Д.Судоплатов // Научно-технические достижения и передовой опыт в области геологии и разведки недр: Науч.-техн. информ. сб. М.: ВИЭМС, 1990. С. 27-41.
7. Шарапанов Н.Н. Методика геофизических исследований при гидрогеологических съемках с целью мелиорации земель / Н.Н.Шарапанов, Г.Я.Черняк, В.А.Барон. М.: Недра, 1974. 178 с.
8. Шевнин В.А. Лабораторные измерения сопротивления и параметров вызванной поляризации рыхлых грунтов для определения литологического строения разреза / В.А.Шевнин, А.А.Бобачев, К.И.Баранчук // Инженерные изыскания. 2014. № 09-10. С. 53-58.
9. Borner F.D. Evaluation of transport and storage properties in the soil and groundwater zone from induced polarization measurements / F.D.Borner, R.Schopper, A.Weller // Geophysical Prospecting. 1996. 44. 583-601.
10. Clavier C. Theoretical and Experimental Bases for the Dual-Water Model for Interpretation of Shaly Sands / C.Clavier, G.Coates, J.Dumanoir // Journal SPE. 1984 April. P. 153-168.
11. Estimation of soil superficial conductivity in a zone of mature oil contamination using DC resistivity / V.Shevnin, O.Delgado-Rodriguez, A.Mousatov, A.Ryjov // SAGEEP-2006, Seattle. P. 1514-1523.
12. SlaterL.D. Controls on induced polarization in sandy unconsolidated sediments and application to aquifer characterization / L.D.Slater, D.R.Glaser // Geophysics. 2003. Vol. 68. N 5 (September-October). P. 1547-1558.
13. SlaterL. Near Surface Electrical Characterization of Hydraulic Conductivity: From Petrophysical Properties to Aquifer Geometries - A Review // Surv. Geophys. 2007. 28:169-197.
14. Vinegar H.J. Induced polarization of shaly sands / H.J.Vinegar, M.H.Waxman // Geophysics. 1984. 49. 1267-1287.
15. WellerA. On the relationship between induced polarization and surface conductivity: Implications for petrophysical interpretation of electrical measurements / A.Weller, L.Slater, S.Nordsiek // Geophysics. 2013. Vol. 78. N 5 (September-October). P. D315-D325.
Авторы: В.А.Шевнин, д-р физ.-мат. наук, профессор, shevninvlad@yandex.ru (Московский государственный университет, Москва, Россия), Д.А.Квон, инженер, kvonchikc@rambler.ru (Московский государственный университет, Москва, Россия). А.А.Рыжов, канд. геол.-минерал. наук, ведущий научный сотрудник, ryjov@yandex.ru (ВСЕГИНГЕО, Московская обл., Ногинский район, пос. Зеленый, Россия).
Статья принята к публикации 23.11.2016.
