Геофизические методы в изысканиях для гидромелиоративного строительства (Пособие к ВСН-33-2.1.05-85 "Гидрогеологические и инженерно-геологические изыскания для мелиоративного и водохозяйственного строительства. Нормы и правила")

Рис.1. Зависимость УЭС водного раствора при 18 °С от концентрации солей

При малых концентрациях удельное электрическое сопротивление вод, насыщающих поровое пространство, обратно пропорционально концентрации растворенных солей

,                                                                    (3)

где - постоянная, характеризующая подвижность ионов при данной температуре; - минерализация.

В пределах изменения температуры от 0 до 18° в среднем равно 8, тогда

.                                                                  (4)

Учитывая сложный состав солей подземных вод, ошибка в оценке общей минерализации воды в песчано-глинистых породах по графикам рис.1 и формуле (4) может достигать 25-30%, составляя в среднем 15-20%. Ошибка в определении общей минерализации подземных вод по данным электрометрических методов может быть сведена к минимуму при построении зависимостей от концентрации солей для типов вод изучаемого района.

Зависимость удельного электрического сопротивления подземных вод от концентрации солей обусловливает возможность использования скважинных электрометрических методов (каротаж, КС, резистивиметрия) для определения общей минерализации подземных вод; оценки проницаемости пород; определения скорости фильтрации; режимных наблюдений за динамикой солепереноса в водоносных пластах и определения в разрезах скважин интервалов поступления напорных вод.

Удельные электрические сопротивления водонасыщенных пород при постоянной минерализации подземных вод определяются составом породообразующих минералов, их упаковкой и содержанием электролита в единице объема породы. В общем виде зависимость удельного сопротивления водонасыщенной породы, представленной двухкомпонентной системой (минеральный каркас - поровый раствор), выражается формулой

,                                                                (5)

     
где - удельное сопротивление водонасыщенной породы;

- удельное сопротивление воды;

        - параметр пористости (относительное сопротивление водонасыщенной породы).

Параметр для идеальных двухкомпонентных сред можно рассчитать теоретически (36), однако в природных условиях литологические разности пород представляют собой многокомпонентные среды и связь их удельных электрических сопротивлений с пористостью выражается эмпирическим соотношением

,                                                         (6)

где - постоянный коэффициент, меняющийся в зависимости от состава породы и ее текстурно-структурных особенностей в пределах 0,4-1,6;

- общая пористость породы в % (или долях единицы);

- структурный показатель смачиваемости, зависящий от литологического состава пород и степени их цементации и меняющийся от 1,3 до 3,2.

Многочисленными исследованиями установлено, что формула (5) применима для сравнительной оценки пористости водонасыщенных сцементированных неоднородных пород, при отсутствии твердых проводящих включений и пористости пород, изменяющейся от 3-4% до 20-40%.

На рис.2 приведены кривые зависимостей .

Рис.2. Зависимость параметра от коэффициента пористости (объемной влажности )

1 - рыхлые пески; 2 - слабосцементированные песчаники, 3 - среднесцементированные песчаники; 4 - ракушняки и рыхлые известняки; 5 - известняки и доломиты крупнокристаллические, средней уплотненности; 6 - известняки и доломиты плотные, тонкокристаллические; - удельное электрическое сопротивление водонасыщенной породы; - удельное электрическое сопротивление воды, насыщающей поры породы

Зависимость между удельным электрическим сопротивлением водонасыщенных песков и их пористостью выражается формулой

,                                                          (7)

     
где - пористость водонасыщенных песков в %.

Установлено (36), что при концентрации раствора NaCl более 1,5 г/л относительное сопротивление имеет постоянное значение, т.е. влияние концентрации солей на точность определения пористости сказывается при 1,5 г/л. Исследования зависимости относительного сопротивления водонасыщенных песков от температуры показали, что от температуры не зависит. Погрешность определения пористости водонасыщенных песков методом скважинных электрометрических измерений лежит в пределах ±2% истинных значений пористости.

Удельное сопротивление горных пород зависит также от размера частиц, составляющих породу. Установлено, что сопротивление мелкозернистых песков, насыщенных пресными водами, меньше, чем сопротивление средне- и грубозернистых песков с тем же объемом и сопротивлением поровых вод. Обратное явление наблюдается при высокой минерализации поровых вод.

Удельное сопротивление тонкодисперсных пород (суглинков, глин), насыщенных водами малой минерализации, обусловливается, в основном, поверхностной проводимостью. Поверхностная проводимость вызывается гидролизом глинистых частиц. Продукт гидролиза, диссоциируя, образует ионы, сообщающие глинистым породам дополнительную электропроводность. С увеличением в породе содержания глинистых частиц уменьшается сопротивление породы под влиянием поверхностной проводимости, что позволяет использовать эту корреляционную связь для установления степени глинистости пород.

Зависимость сопротивления пород от их состава и текстурно-структурных особенностей позволяет использовать этот показатель для выделения в разрезе ниже уровня грунтовых пород различного состава и обусловливает наличие корреляционной связи между сопротивлением пород и коэффициентом фильтрации (97, 110).

Трещинная пористость водонасыщенных пород с выдержанным направлением трещин может быть оценена по формуле

,                                                         (8)

     
а для пород с частичной трещиноватостью по формуле

     
,                                                          (9)

     
где - коэффициент трещинной пористости;

- сопротивление породы без трещин; - сопротивление трещиноватой породы; - коэффициент, учитывающий анизотропию породы (для изотропных пород 1,5).

Сопротивление соответствует наиболее высоким значениям сопротивлений каждой литологической разности пород в разрезах скважин изучаемого района, определенных по данным каротажа или керну.

Зависимости (8) и (9) позволяют получить сравнительные данные о трещиноватости пород с погрешностями порядка ±50% (8, 4).

Удельное электрическое сопротивление водонасыщенных пород данного литологического состава и генезиса при концентрации солей свыше 3 г/л определяется в основном общей минерализацией подземных вод, что обусловливает наличие тесной корреляционной связи между сопротивлением и общей минерализацией подземных вод ().

Зависимость удельного электрического сопротивления пород зоны аэрации от содержания водных растворов солей в порах породы выражается формулой

,                                                            (10)

где - параметр насыщения; - сопротивление породы при частичном насыщении ее пор водой; - сопротивление той же породы при полном заполнении пор минерализованной водой;

- постоянный коэффициент, меняющийся в пределах 0,4-1,6; 1,3-3,2 - структурный показатель смачиваемости; - коэффициент водонасыщения порового пространства породы.

Для пород зоны аэрации удельное электрическое сопротивление уменьшается с ростом влажности (с объемом электролита в порах породы, рис.3). Засоление не сказывается на форме зависимости , а лишь уменьшает абсолютную величину сопротивления. Доказано (85), что зависимость можно использовать для производства режимных наблюдений за влажностью грунтов зоны аэрации и определения капиллярной влагоемкости (КВ), наименьшей влагоемкости (НВ) и влажности разрыва капилляра (ВРК) с точностью 1-1,5%.

Рис.3. Зависимость удельного сопротивления и параметра от геолого-гидрогеологических показателей песчано-глинистых пород (по Шарапанову Н.Н.)

Зависимость удельного сопротивления пород: а - от влажности , полученная по результатам измерений в шурфах (1 - песок, 2 - супеси, 3 - суглинки), б - от влажности по результатам каротажа сухих скважин (1 - легкие суглинки, 2 - средние и тяжелые суглинки), в - от процентного содержания глинистой фракции Г (породы незасолены), г - от степени общей засоленности пород зоны аэрации - влажность более 10% (1 - супеси, 2 - суглинки), д - зависимость параметра пористости от коэффициента фильтрации водонасыщенных песчано-глинистых пород

Зависимость также позволяет по данным электрометрических методов определить в песчано-глинистых грунтах зоны аэрации истинные средние скорости продвижения фронта промачивания.

Удельное электрическое сопротивление грунтов зоны аэрации при постоянной влажности и концентрации солей в поровой влаге зависит, в основном, от состава грунтов и их текстурно-структурных особенностей, что обусловливает возможность картирования методами электроразведки на постоянном токе грунтов различного механического состава.

Зависимость сопротивления грунтов от концентрации солей в поровой влаге (см. рис.3) позволяет применять электрометрические методы для изучения засоленности грунтов зоны аэрации и проведения режимных наблюдений за рассолением почв при промывках.

Характерным показателем строения и состояния горных пород является электрическая анизотропия.

В сложных средах анизотропия обусловлена различием в сопротивлениях протеканию тока вкрест и по напластованию пород и оценивается величиной коэффициента анизотропии

,                                                                    (11)

     
где ;   

соответственно удельное сопротивление вкрест и вдоль напластования.

Из формулы (11) следует, что удельное электрическое сопротивление анизотропных пород всегда выше .

Основываясь на аналогиях в законах течения жидкости и электрического тока, получаем, что или

,                                                                  (12)

     
где - коэффициент фильтрационной анизотропии, а

     
;   

соответственно удельные водопоглощения для всей толщи в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Электрическая анизотропия определяется по данным каротажных исследований в скважинах, фильтрационная - по данным опытных работ по кусту скважин. Данные обрабатываются статистически и строятся графики зависимости и для различных пород участка, по которым определяется с точностью, достаточной для оценки фильтрационной анизотропии пород, залегающих в основаниях гидротехнических сооружений.

Среднее удельное электрическое сопротивление анизотропных пород определяется по формуле

.                                                    (13)

Среднее удельное сопротивление электрически анизотропных пород, измеренное с поверхности земли, также зависит от направления прохождения тока. Изучение анизотропии пород с поверхности земли позволяет установить наличие анизотропии в свойствах пород, дать сравнительную ее оценку, определить преобладающее направление сноса рыхлого материала в четвертичных отложениях современных и древних водотоков (109).

Анизотропия в трещиноватых породах обусловлена различием в сопротивлениях протеканию тока вдоль и вкрест трещиноватых зон. Сопротивление пород вдоль трещиноватой зоны согласно Н.С.Бибикову определяется формулой

                                                             (14)

     
и вкрест трещиноватости

,                                                         (15)

где и - соответственно удельные сопротивления монолитной породы и среды, состоящей из заполнителя трещин ; - характеризуют степень сохранности породы.

Коэффициент анизотропии трещиноватых пород, определяемый методами электрометрии с поверхности земли, служит для определения преобладающего направления и сравнительной оценки развития трещиноватости в слоях горных пород.

- движение жидкости со скоростью

- направление электрического тока силой

Рис.4

Внешняя часть слоя состоит из адсорбированных, как правило, отрицательных ионов (анионов) и является неподвижной, внутренняя же часть состоит преимущественно из подвижных катионов.

В направлении движения воды происходит вынос в основном положительных зарядов, которые накапливаются на выходе капилляра, в то время как на его входе образуется избыток отрицательных зарядов. Между концами капилляра возникает разность потенциалов, величина которой может быть определена по формуле Гельмгольца

,                                                           (27)

     
где - диэлектрическая проницаемость жидкости;

- удельное сопротивление ее;

- вязкость жидкости;

- электрокинетический потенциал - разность потенциалов между подвижным и неподвижным слоями двойного слоя;

- перепад давлений.

Из формулы (27) следует, что потенциал фильтрации пропорционален давлению , под которым происходит фильтрация, - потенциалу, диэлектрической проницаемости и электрическому сопротивлению фильтрующейся жидкости и обратно пропорционален ее вязкости .

Параметры , и при всех условиях положительны и не изменяют знака потенциала. Величина потенциала фильтрации может быть положительной или отрицательной, в зависимости от знака и направления движения жидкости.

Исследования зависимости потенциалов фильтрации, для капилляра и непроводящими стенками, от концентрации и валентности ионов, содержащихся в фильтрующейся жидкости, показали, что по мере увеличения концентрации электролита потенциал для солей с одно- и двухвалентными катионали сначала повышается до максимума (10-100 мВ), затем быстро падает и при больших концентрациях достигает очень малых значений.

Потенциал внешней части двойного слоя в этом случае положительный, и сторона, на которой имеется избыточное давление, будет иметь недостаток положительных ионов или отрицательный потенциал, следовательно, потенциал точки входа жидкости в капилляр ниже потенциала точки выхода жидкости.

При увеличении валентности катиона - потенциал уменьшается по абсолютной величине и для трех- и четырехвалентных ионов меняет знак на обратный.

Средняя скорость движения жидкости по капилляру находится по формуле

,                                                               (28)

     
где - радиус капилляра.

Формулы (27 и 28) выведены для ламинарного течения жидкости в идеальном капилляре.

Для реальной пористой среды, которая приближенно может быть представлена в виде сложной капиллярной системы, разность потенциалов электрического поля фильтрации выражается формулой

,                                                              (29)

где - некоторый постоянный коэффициент среды, зависящий от пористости и структуры пор;

- среднее значение истинной скорости движения воды через пористую среду.

Участки инфильтрации отличаются отрицательными аномалиями, места разгрузки - положительными аномалиями естественного поля.

Изучение потенциалов фильтрации на разрезах песков, песчаников и песчано-глинистых пород в их естественном залегании показали, что изменение перепада давления жидкости (расхода) в пласте влечет мгновенное изменение потенциала фильтрации (рис.5). Эта зависимость обусловливает возможность применения метода естественного поля для выявления мест сосредоточенной фильтрации воды из каналов и водохранилищ при различных уровнях их заполнения.

Рис.5. Карта приращений потенциалов естественного электрического поля при наливе в траншею

a) на следующий день после начала налива;

б) в день смыкания фронта гравитационной влаги с УГВ;

в) на следующий день после смыкания.

Наибольшие потенциалы фильтрации наблюдаются для песков и песчаников, в основе которых преобладают фракции 0,001-0,5 мм. В области малой проницаемости пород установлено возрастание потенциала фильтрации с ростом проницаемости пород. Зависимость от проницаемости пород позволяет картировать породы различной проницаемости в чашах естественных и искусственных водоемов или основаниях действующих земляных плотин.

Экспериментально установлено, что при фильтрации природных вод, содержащих одно- и двухвалентные ионы солей, кислот и щелочей (катионы N, Ca, Mg, K и др., и анионы Cl, SO, СO, HCO и др.), в песчаных и песчано-глинистых породах, потенциал фильтрации на входе воды в породу имеет более низкие значения по отношению к потенциалам точек, расположенных ниже по потоку. В карбонатных породах наблюдается обратная картина.

Зависимость значений потенциалов фильтрации от интенсивности движения подземных вод позволяет определить направление потока, радиус влияния скважин при откачках, выявить места разгрузки напорных вод под покровом рыхлых отложений или места перетока грунтовых вод в нижележащие водоносные горизонты и т.п.

При работах методом естественного поля наблюдения потенциалов фильтрации ведутся не в фильтрующем пласте, а в толще покрывающих его пород.

М.Л.Альпин показал, что потенциал фильтрации на дневной поверхности выражается следующим соотношением:

,                                                         (30)

где - числовой коэффициент; - средняя скорость фильтрации; - проницаемость водоносного слоя;

продольная проводимость фильтрующего слоя;

суммарная продольная проводимость всех слоев, включая фильтрующий, залегающих на непроводящем основании;

- потенциал в произвольной точке с координатой 0 (ось направлена по движению жидкости в фильтрующем слое).

Из формулы (30) следует и экспериментальным путем установлено, что интенсивность наблюдаемого на поверхности земли поля будет тем выше, чем меньше будут мощности и выше значения удельного электрического сопротивления вмещающих пород, по сравнению с этими параметрами фильтрующего пласта.

Интенсивные электрические поля фильтрации возникают при инфильтрации воды (поливных вод, атмосферных осадков) через водопроницаемые породы зоны аэрации.

В процессе насыщения грунтов водой при нисходящем потоке параметры , , достигают максимальных значений. Зависимость потенциалов фильтрации от и позволяет картировать неоднородность развития процесса инфильтрации по площади. При достижении фронтом промачивания водоупора, уровня грунтовых вод или встречного фронта промачивания (при поливах по бороздам) направление потока в поровом пространстве грунта меняется, что приводит к изменению величин потенциалов фильтрации, а в ряде случаев и к изменению их знаков. Это обусловливает возможность определения истинных скоростей продвижения фронта промачивания до указанных границ в водопроницаемых грунтах зоны аэрации (см. рис.5 и 6). Данные об истинной скорости являются основой для расчетов характеристик, связанных с определением фильтрационных и емкостных свойств грунтов как в условиях полного, так и неполного водонасыщения (58, 59).

Рис.6. Карта приращений потенциалов естественного электрического поля при поливах по бороздам

а) после начала полива;

б) в момент смыкания фронтов влаги;

в) после смыкания.

Диффузия солей в породе, содержащей растворы разной концентрации, обусловливают возникновение диффузионно-адсорбционных разностей потенциалов.

Экспериментально установлено, что разности диффузионно-адсорбционных потенциалов, возникающих на границе раствор - горная порода, зависят от (36):

1. 1) химико-минералогического состава горной породы; различные горные породы в одних и тех же условиях создают разные потенциалы как по величине, так и по знаку;

2. 2) химического состава вод, насыщающих поры породы и их концентраций, с увеличением концентрации разности потенциалов падают, а при наличии многовалентных катионов изменяют и свой знак;

3. 3) степени насыщения породы растворами солей; чем больше влажность, тем меньше разности потенциалов;

4. 4) плотности породы; с ростом плотности пород разности потенциалов возрастают;

5. 5) степени дисперсности пород; чем больше эффективный диаметр частиц, тем меньше разности потенциалов.

В области средних значений концентрации растворов, насыщающих породу и соприкасающихся с ней, диффузионно-адсорбционные потенциалы можно выразить уравнением

,                                                 (31)

где - коэффициент пропорциональности; , и , - соответственно коэффициенты активности и сопротивления растворов, имеющих концентрации , .

Коэффициенты пропорциональности определяются по формуле

,                                                              (32)

где - коэффициент диффузии; - коэффициент диффузионно-адсорбционной активности.

,                   (33)

     
где - удельная поверхность твердых частиц породы;

- влажность породы; - концентрация ионов в растворе; , - подвижности катионов и анионов; и - постоянные, зависящие от химического состава раствора; - коэффициент, определяющий отношение числа катионов к числу анионов.

Из формулы (33) следует, что величина диффузионно-адсорбционной разности потенциалов находится в прямой зависимости от адсорбционной активности и удельной поверхности породы и в обратной зависимости от ее влажности, а, следовательно, в обратной зависимости от коэффициента пористости породы.

Естественные электрические поля диффузионно-адсорбционного происхождения на объектах мелиорации существуют или возникают заново в следующих условиях:

1. 1) в зонах, прилегающих к поверхностным водотокам (рекам, каналам) или водоемам (водохранилищам, озерам, прудам и т.д.); когда минерализация грунтовых вод отличается от минерализации поверхностных вод;

2. 2) в местах разгрузки напорных минерализованных вод в более пресный грунтовый поток (или наоборот);

3. 3) в разрезах скважин, когда наблюдается разница в минерализации пластовых вод и бурового раствора.

По данным каротажа ПС можно выделить проницаемые и глинистые породы, учитывая минерализацию пластовых вод и бурового раствора.

Окислительно-восстановительные потенциалы в горных породах наблюдаются при окислительно-восстановительных реакциях, когда окисляющая среда, отдавая электроны, заряжается положительно, а восстанавливающая, присоединяя их, приобретает отрицательный заряд.

Разность потенциалов, возникающая между окисляющей средой и окислителем, удовлетворяет уравнению

,                                                             (34)

где - константа равновесия реакции; и - концентрации веществ, находящихся в высшей и низшей степени окисления; - универсальная газовая постоянная; - абсолютная температура; - валентность ионов; - число Фарадея.

На объектах гидромелиоративного строительства интенсивные электрические поля окислительно-восстановительного происхождения наблюдаются в зонах, прилегающих к скважинам, обсаженным металлическими трубами (фильтрами), и другим сооружениям, содержащим металл.

В отличие от естественных электрических полей фильтрационного и диффузионно-адсорбционного происхождения эти поля всегда отмечаются аномальными отрицательными значениями потенциалов (рис.7).

Рис.7. Окислительно-восстановительные потенциалы ЕП вблизи скважин

Рис.8. Графический способ определения параметров и

После определения параметров и по графику смещения выбираются два значения и , соответствующие двум моментам времени наблюдений и , и последовательно определяются длины зоны распространения электролита и .

Скорость потока находится по формуле

.                                                                      (37)

При этом влияние обсадных труб и столба соленой воды в скважине автоматически исключается.

Для скважины без обсадки формула (37) приобретает вид:

,                                                                   (38)

где - смещение центров двух соседних изолиний (), наблюдавшихся через интервал времени ().

Метод заряженного поля позволяет определять направление и действительную скорость подземного потока по одной буровой скважине, вскрывшей водоносный горизонт (36, 56-59, 77, 104).

Метод применяется для изучения движения относительно пресных вод с общей минерализацией до 1 г/л. Глубинность исследования не превышает 100 м. Точность определения действительной скорости подземного потока методом заряженного тела составляет ±10-30%.

Рис.9. Кривые распределения (а) и кумулятивные кривые (б) по данным измерения скоростей ультразвуковым методом

1 - известняки каменноугольного возраста;

2 - метаморфические сланцы;

3 - слоистые известняки палеогенового возраста.

Величина показателя заключается в пределах 12 (чем ближе к единице, тем однороднее порода и наоборот).

Неоднородность горных пород в массиве также можно оценить (90), используя свойство неаддитивности скоростей упругих волн, благодаря которому статистические параметры (характеристики) распределения значений скоростей упругих волн в каком-либо массиве пород зависят от "объема единичных измерений", определяемого частотой используемых колебаний и базой измерений . Приняв за основу зависимость, взятую по аналогии из статистической теории прочности металлов

,                                              (44)

где - средние значения скоростей упругих волн, индекс нуль соответствует предельному случаю, когда , индекс - случаю, когда , а индекс - текущему значению скорости базы; - коэффициент, зависящий от отношения величин , и ; - показатель однородности Вейбулла. Величина может быть определена из соотношения

.                                                        (45)

Параметры и , характеризующие неоднородность среды и преобладающие размеры неоднородностей, определяются графически по данным экспериментальных значений и .

Скорость распространения всех типов волн в неоднородных анизотропных средах (слоистых, сланцевых, с ориентированной трещиноватостью) существенным образом зависит от направления распространения колебаний и координат точек измерения (в однородных анизотропных средах - только от направления). Мерой изменчивости скоростей волн в зависимости от направления их распространения является коэффициент анизотропии , равный отношению значения , измеренного в направлении его максимальных значений к значению скорости, измеренного в направлении минимального значения

.                                                                  (46)

Значения и определяются по круговым диаграммам скоростей упругих волн, полученных экспериментальным путем (при ультразвуковом прозвучивании образцов, при сейсмическом прозвучивании блоков и сейсмических наблюдениях на поверхности массивов).

При количественной оценке неоднородности и степени анизотропии следует учитывать проявление масштабного эффекта, которое выражается в зависимости численных значений измеряемых скоростей упругих волн от величины базы измерений и объема исследуемой породы.

Зависимость скоростей упругих волн от пористости и трещиноватости при соответствующем выборе исходных параметров выражается уравнением среднего времени (17, 19, 20)

,                                                                    (47)

где - скорость распространения продольных (поперечных) волн в скелете породы; - скорость распространения продольных (поперечных) волн в пористой и трещиноватой породе; - скорость распространения упругих волн в заполнителе пор и трещин.

Практически величина определяется по формуле

,                                                           (48)

     
где - максимальное значение скорости;

- относительная ошибка определения скорости.

Скорость распространения упругих волн в заполнителе пор и трещин определяется из соотношения

,                                                      (49)

где 345 м/с; и - соответственно скорости упругих волн в сухой и водонасыщенной породе.

Открытую пустотность можно вычислить по формуле

,                                                            (50)

     
где м/с.

Для сопоставления показателей пористости и трещиноватости горных пород, определенных сейсмоакустическими методами с аналогичными показателями геотехнических методов, используются графики корреляционных связей.

Зависимость скоростей упругих волн от пористости и трещиноватости позволяет проследить изменение этих показателей во времени и пространстве; коррелируя в плане зоны низких значений скоростей и и высоких значений параметров, характеризующих затухание сейсмических волн с расстоянием, можно выявить зоны нарушений в поверхности массива горных пород и проследить их направление.

Преобладающее направление тектонической трещиноватости горных пород, скрытых под наносами, выявляется с помощью круговых диаграмм граничных скоростей продольных и поперечных волн.

В водонасыщенных осадочных породах одного генетического типа средний минералогический состав зерен скелета и упругости твердой и жидкой фаз остаются, в общем, постоянными, и фактором, определяющим изменение скоростей объемных упругих волн, будет служить пористость, обусловленная текстурно-структурными особенностями породы (76).

Зависимость скорости упругих волн от пористости для пород одного генетического типа указывает на возможность использования сейсморазведки для оценки их проницаемости.

Связь скоростей продольных и поперечных волн с коэффициентом фильтрации пород носит корреляционный характер.

При оценке физико-механических свойств пород в инженерной геологии важно знать напряженное состояние массива, так как в зависимости от характера и величины напряжений многие свойства пород могут резко меняться.

Связь между скоростями упругих волн и напряжением позволяет использовать сейсмоакустику для изучения напряженного состояния массива горных пород в целом и изучения распределения напряжений вокруг горных выработок (76, 88, 89).

Выражение, связывающее скорости продольных волн и действующими в среде напряжениями, имеет вид:

,                                                  (51)

     
здесь приняты следующие обозначения:

; ; ,

где , - скорость распространения продольных волн и плотность в трещиноватой породе при 0, , , то же, при ;

, - скорость продольных волн и плотность в монолитной породе при 0;

- скорость продольных волн и плотность в монолитной породе при ;

- коэффициент, определяющий изменение произведения с давлением;

- коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений в деформируемом объеме среды и зависимость от условий погружения.

В пределах одного типа породы при слабой изменчивости его обводненного состояния и степени выветривания параметры , , , и меняются незначительно. В этих условиях относительное изменение напряжения полностью определяется величинами и , и, следовательно, для определения напряжений могут быть использованы тарированные кривые, связывающие величины , и , а также значения , и , измеренные в массиве.

Динамический модуль упругости (модуль Юнга) характеризует упругие свойства пород и используется для изучения деформационных свойств горных пород в массиве.

В соответствии с теорией упругости модуль находится из соотношений

;                                                     (52)

     
;                                                  (53)

     
,                                                       (54)

где и - скорости распространения продольных и поперечных волн; - плотность (объемный вес) горной породы;

- коэффициент Пуассона.

Условия производства исследований в ряде случаев позволяют получить только скорости продольных или поперечных волн.

С точностью, достаточной для практических целей, можно рассчитать по скорости распространения поперечных волн и приближенному (табличному) значению коэффициента Пуассона.

Определение модуля по скорости осуществляется на основании уравнения корреляционной связи вида

,                                                                       (55)

     
где - выражен в кг/см, а в км/с; и - безразмерные величины.

Для определения модуля по скорости продольных волн используются графики корреляционной связи, полученные на массивах-аналогах или построенные по значениям и , и ; полученные в опорных точках исследуемого массива по данным сейсмоакустических методов.

Связь динамического модуля упругости и статического модуля упругости для многих разностей пород с достаточной для практических целей точностью описывается уравнением вида (12)

,                                                        (56)

где - максимальное значение динамического модуля упругости; и - постоянные безразмерные величины (0,97, 0,141, 1300000 кг/см).

Более точные значения могут быть получены по графикам корреляционной связи , построенным по параметрам и , определенным в опорных точках массива.

Коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации) горной породы определенного типа является параметром, характеризующим ее состояние (степень сохранности).

В теории упругости связь коэффициента Пуассона и скоростей распространения продольных и поперечных волн в горной породе выражается соотношением

.                                                                 (57)

В случае, когда известна только скорость продольных волн , а скорость поперечных волн по тем или иным причинам не найдена, используется корреляционная связь вида

,

где - безразмерная постоянная; - коэффициент в с/км, если выражена в км/с.

Использовать корреляционные графики связи и целесообразно для изотропных или слабо анизотропных пород.

Основным условием для построения корреляционных зависимостей и уточнения теоретических или эмпирических зависимостей между сейсмоакустическими показателями горных пород и показателями их физико-механических свойств является равномасштабность по объему захвата среды парных определений. В связи с этим следует учитывать, что объем породы зоны захвата , обусловливающий наблюдаемые скорости упругих колебаний, зависит от длины волны и в пределах каждой "точки" среды (к которой относится найденная величина ) составляет приблизительно

                                                    (58)

или

,                                                     (59)

     
где - частота упругих колебаний.

Модуль общей деформации горных пород используется при расчетах инженерных сооружений, и его связь со скоростями распространения упругих волн в породах обеспечивает надежный выбор расчетных характеристик пород в пределах всего массива по данным сейсмоакустических наблюдений (13, 16, 49, 76).

Связь между величинами и функциональна и выражается формулой

.                                                                    (60)

Величина определяется уравнением общего вида

,                                                     (61)

где - вязкость; - время; - температура; - статический модуль упругости идеально упругого тела; - конечное напряжение.

Уравнение (60) для каждой литологической разности пород является единственным, если величины и изменяются, в основном, под действием одной определенной причины. В случаях, когда изменения модулей и обусловливаются рядом причин, связь между ними принимает корреляционный характер.

Для скальных пород А.И.Ваксар и О.К.Воронков получили следующее уравнение связи:

,                                           (62)

где - скорость продольных волн скелета породы (т.е. при 0); - измеренная скорость; ; - скорость в заполнителе пор и трещин. Параметры и находят соответственно как среднемаксимальное значение скорости продольных волн, полученное при ультразвуковом каротаже, и рассчитывают по формуле

,                                                                   (63)

     
где - общая пористость.

Величина 1200 кг/см. В прочих случаях следует находить по значениям и корреляционному графику для соответствующего типа пород.

Модуль общей деформации рыхлых пород при заданной конечной нагрузке и скорости нагружения плотности среды (69-71, 76, 107) определяется соотношениями

                                        (64)

или

.                                    (65)

Полуэмпирические формулы, основанные на близкой к линейной связи между и для рыхлых грунтов, имеют вид:

1. а) для неводонасыщенных песчаных грунтов:

   кгс/см (3 МПа)                                             (66)

        
   (предел применимости формулы: 150 кгс/см600 кгс/см);

2. б) для неглубоко залегающих водонасыщенных песчаных грунтов:

   кгс/см (3,1 МПа)                                          (67)

        
   (пределы применимости формулы: 64 кгс/см807 кгс/см);

3. в) для любых песчано-глинистых грунтов (кроме глин):

   кгс/см (0,4 МПа)                                          (68)

        
   (пределы применимости формулы: 45 кгс/см620 кгс/см);

4. г) для неводонасыщенных лессов:

   кгс/см (7 МПа)                                            (69)

        
   (пределы применимости формулы: 100 кгс/см360 кгс/см).

Формулы получены при сопоставлении измерений в сейсмическом диапазоне частот и результатов определений в полевых условиях с помощью штампов. При сопоставлении измерений в ультразвуковом диапазоне и данных о модуле деформации, полученных на образцах, выведена следующая зависимость для песчано-глинистых грунтов (22):

кгс/см (2,85 МПа).                                       (70)

Приведенные выше формулы были проверены в различных природных условиях и дали результаты с ошибкой, не превышающей 10-15%.

При изучении прочностных характеристик горных пород используются связи между модулем сдвига и пределом прочности на сжатие , с одной стороны, и скоростями распространения упругих волн и , с другой стороны (21, 55, 92).

Ф.М.Ляховицким на основании линейной связи между модулем сдвига и пределом прочности на сжатие предложены следующие соотношения:

;                                                   (71)

- некоторый постоянный коэффициент, зависящий от типа породы.

Наиболее вероятные значения коэффициента приведены в табл.21.

Используя формулу (71) и задаваясь табличными значениями и для типов пород аналогичных указанным, можно дать прогнозные значения по изучаемой площади на основании известных скоростей сейсмических или ультразвуковых волн. Для более точной оценки предела прочности на сжатие по величине скорости продольных волн следует составлять индивидуальные графики связи в системе координат (, ).

Для модели сплошной упруго-вязко-пластичной среды предел прочности на сжатие теоретически связан с величиной зависимостью вида

          причем

     
,                                                        (72)

где - эквивалентная величина начальных внутренних напряжений; - модуль упруго-вязких деформаций; - значение функции пластичности при предельной относительной деформации.

Зависимость между и на образцах для неводонасыщенных песчано-глинистых пород при использовании ультразвуковых частот:

кгс/см (0,65 МПа)                                                (73)

     
при измерении величины - в км/с

     
(пределы применимости формулы: 1 кгс/см8 кгс/см).

Для образцов мерзлых песчано-глинистых пород при температуре -3,5° (для других температур коэффициент при изменяется), по данным различных авторов устанавливается следующая зависимость:

кгс/см (0,9 МПа)                                    (74)

     
при измерении величины в км/c

     
(пределы применимости формулы: 7 кгс/см80 кгс/см).

Из теории упругости известно, что степень сопротивления тела изменению формы характеризуется модулем сдвига , который может быть найден из соотношения

.                                                                  (75)

В настоящее время получен ряд эмпирических зависимостей, связывающих величину с удельным сцеплением . Наиболее общей является следующая из них относящаяся к суглинистым грунтам:

кгс/см                                                   (76)

     
(пределы применимости формулы: 0,10 кгс/см1,47 кгс/см).

Коэффициент отпора - величина равномерного давления, приложенного к стенке тоннельной выработки, которую необходимо создать, чтобы радиус круглой выработки увеличился на 1 см:

,                                                                     (77)

где - равномерно распределенное давление по стенке выработки бесконечной длины в кг/см; - радиальное перемещение стенки в см.

Параметры позволят рассчитать, какую часть нагрузки, создаваемой водой на стенку напорного тоннеля, воспримет на себя порода, и определить необходимую толщину облицовки.

Коэффициент отпора для выработок круглого сечения, пройденных в упругой монолитной породе без значительных естественных напряжений, определяется по формуле

,                                                         (78)

     
где - радиус выработки в м.

Для выработок различного сечения, пройденных в массиве, обладающим значительными напряжениями, при наличии вокруг выработок ослабленной зоны, коэффициент удельного отпора находят по формуле

,                                       (79)

где - мощность ослабленной зоны; и - модуль упругости и коэффициент Пуассона в напряженной породе; - модуль упругости в ослабленной зоне.

, , , вычисляются по данным сейсмоакустических методов.

13	12	169	144	156
17	17	289	289	289
10	11	100	121	110
17	13	289	169	221
20	16	400	256	320
11	14	121	196	154
15	15	225	225	225
103	98	1593	1400	1475

Выборка (N)	Метод I ()	Метод II ()
1	38,2	54,1
2	43,3	62,0
3	47,1	64,5
4	47,9	66,6
5	55,6	75,7
6	64,0	83,3
7	72,8	91,8
8	78,9	100,6
9	100,7	123,4
10	116,3	138,3
	66,48	86,03

     
4.1.1. Провинция аккумулятивных равнин севера и северо-запада Восточно-Европейской платформы

Для аккумулятивных равнин севера и северо-запада Восточно-Европейской платформы, расположенных в климатической зоне избыточного и достаточного увлажнения, в которой господствуют процессы формирования грунтовых вод выщелачивания, эффективность применения геофизических методов исследований обусловлена следующими природными условиями.

На территории данной таксономической единицы распространены верхне- и среднечетвертичные (валдайские, московские, днепровские) гляциальные, флювиогляциальные, флювиогляциально-озерные и аллювиальные отложения.

Моренные отложения валдайского, московского и днепровского оледенений представлены валунными суглинками и глинами с изолированными прослоями песков и супесей. Местами морена перекрыта маломощными водно-ледниковыми песками, содержащими гравий, суглинками и супесями.

Максимальная мощность отложений валдайского оледенения может достигать 110 м, московского - 150 м. Уровень грунтовых вод залегает на глубинах от 0 до 10-15 м.

Флювиогляциальные, флювиогляциально-озерные и аллювиальные отложения представлены песками, гравийниками, суглинками, глинами локального распространения, супесями.

Мощность отложений не превышает 100 м. Уровень грунтовых вод залегает на глубинах от 0 до 10 м.

Коренные породы в пределах данной провинции залегают на глубинах от нескольких метров до 150 м и более. Минерализация грунтовых вод четвертичных отложений не превышает 1 г/л и лишь на участках восходящего перетекания более минерализованных напорных вод она повышается до 1-2 г/л.

Региональный водоупор представлен суглинисто-глинистыми отложениями морены и глинистыми отложениями дочетвертичных пород.

Восходящее перетекание напорных вод и разгрузка межморенных водоносных горизонтов водораздельных пространств в грунтовый поток осуществляется по глубоким эрозионным врезам древних и современных водотоков, прорезающих морену и приуроченных часто к проявлениям новейшей тектоники по разрывным нарушениям в коренных породах.

Питание озер и болот напорными водами, поступающими из водоносных горизонтов дочетвертичного возраста, может происходить в местах проявления новейшей тектоники по разрывным нарушениям (особенно их перекресткам) в коренных породах или приведшим к стратиграфическим несогласиям, когда водоносные горизонты дочетвертичных отложений залегают выше регионального водоупора.

В результате анализа природных условий данной провинции эффективность применения различных геофизических методов для целей гидромелиоративного строительства на стадии проекта обосновывается следующими факторами.

Постоянство минерализации грунтовых вод и незасоленность грунтов зоны аэрации обусловливает, в основном, изменение удельных электрических сопротивлений и поляризуемости пород четвертичного возраста, залегающих ниже уровня грунтовых вод, за счет изменения их состава и пористости, а в зоне аэрации - еще и влажности.

Зависимость удельного электрического сопротивления и поляризуемости от состава пород и их текстурно-структурных особенностей позволяет широко использовать методы ВЭЗ и ВЭЗ ВП для выделения в разрезе четвертичных отложений (и подчетвертичных) различных литологических разностей пород и стратиграфо-генетических комплексов.

Удельное электрическое сопротивление скальных и полускальных пород одного литологического состава при постоянной минерализации подземных вод зависит, в основном, от состояния пород (степени выветривания и трещиноватости), что обусловливает возможность применения метода ВЭЗ для определения мощности зоны выветривания коренных пород и оценки степени их трещиноватости.

Основной объем электроразведочных работ в этих условиях выполняется с применением метода ВЭЗ, так как он дешевле и более прост в исполнении, чем метод ВЭЗ ВП. Метод ВЭЗ ВП применяется в опорных точках для более детальной оценки глинистости и проницаемости пород разреза четвертичных отложений и увязки полученных сведений с данными ВЭЗ рядовой сети, определения направления сноса материала в эррозионных* врезах древних водотоков, а также для оценки трещиноватости и состава заполнителя трещин в коренных породах (см. раздел 1).

________________

* Текст документа соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Для определения границ площади распространения различных литологических разностей, оценки однородности состава отложений в пределах глубин заложения линейных объектов (трасс магистральных каналов и дрен), выявления местоположения разрывных нарушений в коренных породах, определения радиуса влияния одиночных откачек в однородных песчаных и гравийно-галечниковых отложениях используются методы электропрофилирования. При определении радиуса влияния одиночных откачек в комплексе с ЭП может использоваться метод естественного электрического поля.     

Низкая минерализация грунтовых вод позволяет использовать метод заряженного тела для сравнительной оценки направления и действительной скорости подземных вод в пределах водораздельных пространств, эррозионных* врезов современных и древних долин, стока и окон разгрузки напорных вод в грунтовый поток (подтверждения их наличия).

________________

* Текст документа соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Сейсморазведка МПВ выполняется в модификации сейсмических зондирований для выявления глубин залегания уровня грунтовых вод в песчано-глинистых отложениях и определения глубин залегания и упругих характеристик пород, слагающих разрез в опорных точках. Сведения о глубинах залегания отдельных литологических разностей пород используются для интерпретации ВЭЗ при построении опорных геолого-геофизических разрезов.

На площадях неглубокого (до 5 м) залегания коренных пород по данным сейсморазведки определяется мощность коры выветривания в скальных и полускальных породах и оценивается степень их трещиноватости.

Полевые геофизические методы выполняются по общепринятой методике, изложенной в работах (8, 36, 38, 45, 62, 63, 78).

В скважинах опорной сети и пробуренных для изучения водоносных горизонтов четвертичных и дочетвертичных отложений выполняется комплекс каротажных исследований, который включает: метод сопротивлений, гамма-каротаж, резистивиметрию (или расходометрию).

В качестве дополнительных методов рекомендуются: метод собственной поляризации, термометрия и кавернометрия.

Метод сопротивления применяется, в основном, в модификации бокового каротажного зондирования (БКЗ), что позволит выделить в разрезе водопроницаемые породы и получить сравнительную оценку их общей пористости по относительному сопротивлению.

В пределах данной провинции скважины в песчано-глинистых четвертичных отложениях из-за неустойчивости стенок наиболее часто проходятся с постоянной посадкой обсадных колонн. В этом случае основным методом детального литологического расчленения разреза с локализацией в нем водопроницаемых пород и водоупоров является гамма-каротаж.

Для изучения взаимосвязей грунтовых вод с водами спорадического распространения в морене, с межморенными водоносными горизонтами и подземными водами дочетвертичных отложений, а также для послойной оценки водоотдачи (водопоглощения) и активной (динамической) пористости используется резистивиметрия или расходометрия. Расходометрия выполняется в самоизливающихся скважинах при откачках и наливах в скважины.

В скважинах с открытым стволом производству резиставиметрии и расходометрии предшествует выполнение кавернометрии для определения фактического диаметра скважин.

Скважины с неустойчивыми стенками для производства резистивиметрии и расходометрии обсаживаются фильтровой колонной на всю мощность исследуемой толщи.

Низкая минерализация и малые скорости движения подземных вод по уклону потока не создают в разрезе скважины интенсивных естественных полей, поэтому для выделения проницаемых песчаных пластов и пластов глин метод ПС целесообразно применять в модификации повторных ПС после засолки бурового раствора.

Каротажные работы выполняются по общепринятой методике, изложенной в работах (28, 31, 35).

Природные условия, характерные для данной провинции, и физические основы геофизических методов позволяют применять геофизические исследования для решения следующих задач специализированных гидрогеологических и инженерно-геологических съемок масштаба 1:50000:

1. 1) расчленение разреза на отдельные литологические разности и комплексы пород, характеризующиеся единством возраста и генезиса, и определение площадей их распространения;

2. 2) выявление разрывных нарушений и проявлений неотектоники в толще четвертичных отложений (эрозионных срезов современных и древних долин стока, окон восходящей фильтрации напорных вод и т.п.);

3. 3) выявление площадей развития геологических процессов и явлений (карста, оползней и др.);

4. 4) оценка состояния коренных пород (выветрелости или трещиноватости);

5. 5) выделение в плане и разрезе водоносных горизонтов и местных водоупоров;

6. 6) выявление глубин залегания регионального водоупора;

7. 7) выявление условий питания болот и озер;

8. 8) изучение взаимосвязей грунтовых вод с водами спорадического распространения в морене, с межморенными водоносными горизонтами и подземными водами дочетвертичных отложений;

9. 9) выделение типовых (ключевых) участков и определение мест заложения опорных скважин.

Рациональный комплекс геофизических методов, применяемых для решения перечисленных задач, должен включать в качестве основных следующие методы: метод ВЭЗ, метод симметричного электропрофилирования (или ДОП, КЭП и др.) и каротаж скважин с применением БКЗ, гамма-каротажа (ГК), резистивиметрии или расходометрии, кавернометрии (45).

В качестве вспомогательных методов в комплекс включаются: метод ВЭЗ ВП, метод заряженного тела (МЗТ), метод естественного электрического поля, сейсморазведка (МПВ), каротаж скважин с применением метода естественных потенциалов (с повторением после засолки бурового раствора), термометрия.

При выборе сети наблюдений (расстояний между профилями и точками по профилю) следует учитывать сложность геолого-гидрогеологической обстановки изучаемой территории, обусловленной ограниченной площадью распространения литолого-фациальных комплексов в пределах одного стратиграфо-генетического комплекса (залегание с размывом предыдущих), а также учитывать необходимость выявления разрывных нарушений, эрозионных врезов и окон восходящего перетекания напорных вод в грунтовый поток.

Опыт производства геофизических работ на территории данной провинции и определение с помощью автокорреляционной функции радиусов корреляции, характерных для её природных условий (67, 108), показали, что расстояние между профилями ВЭЗ не должно превышать 4000 м, а расстояние между точками ВЭЗ по профилю может составлять 250-1000 м.

Профили ВЭЗ задаются вкрест направления сноса материала в процессе его осадконакопления (вкрест основных геоморфологических элементов).

В каждом конкретном случае расстояния между геофизическими профилями и точками наблюдения по профилю уточняются по данным первичной модели исследуемой территории, построенной с учетом данных аэрокосмической съемки, дешифрирования аэрофотоснимков и проходимости местности.

В местах пересечения основными профилями ВЭЗ линиментов, характерных для разрывных нарушений, или древних и современных водотоков определяется протяженность детализационных участков профилей, на которых шаг между точками ВЭЗ сокращается до 250 м и выполняется электропрофилирование (СЭП или ДОП, КЭП) с шагом 25-50 м.

Электропрофилирование на этих участках предшествует производству ВЭЗ и выполняется с двумя разносами питающей линии, больший из которых характеризует состояние коренных пород, меньший - однородность четвертичных отложений. Величина разносов питающих линий для ЭП определяется по данным ВЭЗ, выполненным ранее на профиле.

Для решения задачи дренирования грунтового потока или питания напорными водами в указанных зонах (при однородности приповерхностной части разреза, пологом рельефа и залегании грунтовых вод до 5-10 м) можно использовать метод естественного электрического поля (ЕП). Измерение потенциалов фильтрации производится по профилям ЭП с шагом 10-25 м над разрывными нарушениями или с шагом 50-100 м на участках примыкания долины к ее бортам.

На участках основных профилей, где по данным ВЭЗ возможно выклинивание отдельных стратиграфо-генетических комплексов или регионального водоупора (наличие окон фильтрации), производится СЭП с двумя разносами питающей линии и шагом по профилю 100-250 м. Разносы выбираются по данным ВЭЗ так, чтобы больший характеризовал однородность отложений выклинивающего комплекса или регионального водоупора, а меньший - однородность вышележащих отложений. В пределах профиля ЭП, на участках, где фиксируется наличие окон фильтрации, производятся измерения потенциалов естественного электрического поля с шагом 50-100 м, что позволит выявить направление и места наиболее интенсивной фильтрации подземных вод (восходящей или нисходящей).

По данным ЭП и ВП уточняется местоположение разрывных нарушений, эрозионных врезов древних и современных водотоков, окон фильтрации в региональном водоупоре и устанавливаются места производства крестовых и круговых ВЭЗ и ВЭЗ-ВП на детализацинных участках основных профилей ВЭЗ (94, 109).

Первоначально ВЭЗ выполняются с разносом линии вдоль профиля, а затем после определения преобладающего направления трещиноватости (простирания разрывного нарушения) или направления долины стока по данным круговых ВЭЗ и ВЭЗ-ВП, производство ВЭЗ осуществляется с разносом линии по направлению преобладающей трещиноватости или направлению сноса материала в долине стока.

Над разрывными нарушениями и в центральной части эрозионных врезов производятся круговые ВЭЗ и ВЭЗ-ВП, по которым определяется преобладающее направление трещиноватости (нарушения), оценивается изменение ее интенсивности с глубиной и состав заполнителя трещин или определяется направление сноса материала в эрозионном врезе древней долины стока.

Для изучения разрезов под руслами рек на заболоченных массивах и акватории озер, расположенных в створе региональных профилей, ВЭЗ выполняются в зимнее время со льда. В руслах рек производится 1-3 точки ВЭЗ (в зависимости от ширины русла). На заболоченных массивах и акватории озер профили ВЭЗ разбиваются в двух взаимно перпендикулярных направлений так, чтобы каждый из них пересекал направления основных систем тектонических нарушений, характерных для региона, на территории которого расположена данная провинция.

Системы тектонических нарушений в каждом конкретном случае могут быть установлены по материалам аэрокосмической съемки.

Точки ВЭЗ на заболоченных массивах и акватории озер располагаются на профилях с шагом 500 м. Питающая линия разносится вдоль профиля. В летнее время на участках основных профилей, где по данным ВЭЗ отмечаются разрывные нарушения или фильтрационные "окна", производятся донное электропрофилирование и донный вариант метода ЕП с шагом по профилю 25-50 м (10).

При мощности четвертичных отложений, достигающей в пределах провинции 150 и более метров, и необходимости изучения первого напорного водоносного горизонта, залегающего под региональным водоупором, оптимальная величина питающей линии для производства ВЭЗ может составлять 500-1000 м. В каждом конкретном случае величина разносов уточняется по данным рабочей модели.

Для осуществления стратиграфической привязки слоев геоэлектрического разреза и выделения в нем различных стратиграфо-генетических комплексов выполняются опытно-методические работы в местах расположения картировочных скважин, по которым осуществлена стратиграфическая привязка разреза в период производства государственных съемок. В этих местах выполняются крестовые ВЭЗ и ВЭЗ ВП, сейсмозондирования и бурятся скважины, в которых производится каротаж с применением метода сопротивлений (КС градиент и потенциал зондом) и гамма-каротажа (ГК).

Типы кривых ВЭЗ и ВЭЗ-ВП (или отдельные их элементы), полученные в местах стратиграфической привязки геоэлектрических разрезов, используются в качестве эталонов для выделения на исследуемой территории различных стратиграфо-генетических комплексов, бурения картировочных скважин на исследуемой территории и получения по ним результатов стратиграфических определений традиционными методами (если эти определения предусматриваются программой работ).

В результате статистической обработки данных ВЭЗ и изучения природной обстановки (с привлечением фондовых материалов) рекомендуются места заложения опорных скважин для изучения геофизических параметров, водно-физических и физико-механических свойств пород и уточнения стратиграфической их привязки.

Опорные скважины задаются в пределах площади распространения каждого стратиграфо-генетического комплекса с учетом изменений удельных электрических сопротивлений и свойств пород (их состава и пористости), обусловленных условиями формирования комплекса. Стратиграфическая привязка слоев разреза в этот период осуществляется по аналогии с геоэлектрическими разрезами, полученные ранее в местах расположения фондовых картировочных скважин.

У намеченных опорных скважин выполняются крестовые ВЭЗ, ВЭЗ ВП и сейсмозондирования.

Бурение и опробование опорных скважин должно контролироваться ответственными исполнителями - геофизиками и геологами, документация этих скважин требует особой тщательности, поскольку будет использована для последующего построения корреляционных зависимостей между геофизическими параметрами пород и их водно-физическими и физико-механическими свойствами.

В скважинах производится комплекс каротажных исследований с применением гамма-каротажа, метода сопротивлений в модификации БКЗ, резистивиметрии или расходометрии, кавернометрии. Исследования ведутся по всему стволу скважин (ниже уровня бурового раствора или УГВ).

Для составления и последующего использования корреляционных эмпирических зависимостей между геофизическими и геотехническими параметрами в местах бурения опорных скважин выполняются полевые геотехнические испытания или пенетрационно-каротажные исследования (если позволяет разрез).

Скважины для производства МЗТ закладываются с учетом данных ВЭЗ, ЭП и ЕП в пределах центральной части разрывных нарушений, "окон" фильтрации, эрозионных врезов древних долин стока и долин современных рек и на водоразделах. Опыты с применением МЗТ выполняются также в скважинах, оборудованных для производства кустовых и одиночных откачек, для определения направления потока подземных вод и его действительной скорости и выбора направления заложения наблюдательных скважин (в случае кустовой откачки). При производстве одиночных откачек для определения радиуса влияния скважин по профилям, расположенным по потоку и вкрест ему, ведутся наблюдения с применением методов СЭП и ЕП (в случае залегания УГВ на глубине 5-10 м и песчано-глинистого разреза) с шагом по профилю 25-50 м. Величина разноса СЭП должна характеризовать отложения, залегающие в пределах УГВ. Наблюдения по профилям выполняются дважды - до начала откачки и в конце ее.

Накопленный к настоящему моменту опыт производства геофизических работ на территории данной провинции с учетом расчетов радиусов корреляции с помощью нормированной автокорреляционной функции (57, 108) для различных геолого-гидрогеологических показателей позволяет рекомендовать следующий вариант объемов основных видов геофизических работ на площади стандартного листа (топографического) масштаба 1:50000.

_______________

* Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание  изготовителя базы данных.

Каротаж выполняется во всех скважинах глубиной 40 и более метров. В скважинах рядовой сети (в отличие от опорных) производится гамма-каротаж и каротаж КС с применением двух стандартных зондов с разными радиусами исследования.

По результатам геофизических исследований и специализированных гидрогеологических и инженерно-геологических съемок строятся опорные геолого-геофизические разрезы, и создается рабочая физико-геологическая модель, в которой должны быть уточнены принципиальные гидрогеологические и инженерно-геологические черты объекта, на основе которых осуществляется выбор ключевых участков и намечаются виды и объемы дальнейших исследований.

4.1.2. Провинция денудационно-аккумулятивных равнин центральной и южной частей Восточно-Европейской платформы и Скифской плиты

Провинция согласно данным проведенным в работах (48, 60, 61, 67) включает возвышенные и низменные денудационно-аккумулятивные равнины, сложенные преимущественно эолово-делювиальными, лессовидными отложениями во внеледниковой зоне и мореной, частично перекрытой лессовидными породами, в пределах южной части зоны днепровского оледенения. В зоне аэрации наблюдается выдержанное по площади переслаивание пород.

Провинция охватывает обширную территорию от окраин Общего Сырта на востоке до предгорий Карпат на западе и от границ Мещерской низменности и Полесья на севере до Черного моря и подгорных равнин Северного Кавказа на юге.

В большей своей части она относится к переходной зоне формирования грунтовых вод неустойчивого равновесия (Центрально-Юго-Западный подрегион) с преобладанием процессов выщелачивания на севере и процессов континентального засоления на юге, в связи с чем засоленность пород зоны аэрации может быть слабой, средней и сильной.

Коренной основой водораздельных пространств на севере Среднерусской возвышенности в пределах зоны влияния днепровского оледенения служат преимущественно каменноугольные отложения, в центральной части - меловые и в меньшей степени юрские отложения. На юге Среднерусская, Восточно-Донская, Калачинская и Ергенинская возвышенности сложены морскими отложениями палеогена-миоцена. В Причерноморской, Прикубанской, Терско-Кумской и Сыртовой областях коренная основа представлена неогеновой первично-аккумулятивной слабоденудированной морской или континентальной равнинами.

В пределах Среднерусской возвышенной равнины водоносные горизонты, перспективные для водоснабжения, развиты в толще карбонатных каменноугольных отложений, южнее - в мергельно-меловых отложениях верхнего мела, а также в песках и песчаниках палеогена. В границах Азово-Приднепровской области перспективны водоносные зоны трещиноватости кристаллических пород архея и протерозоя. В пределах областей первично-аккумулятивных неогеновых равнин перспективные для водоснабжения водоносные горизонты в отложениях дочетвертичного возраста отсутствуют. Они развиты исключительно в отложениях четвертичного возраста. Местами здесь используются слабосолоноватые воды сармата (Причерноморская равнина) и акчагыла (Сыртовая равнина). Глубина залегания подземных вод изменяется от 2 до 30 м, встречается верховодка. Минерализация подземных вод может изменяться от пресных до солоноватых (до 5 г/л). Минерализация напорных вод, разгружающихся по зонам крупных разрывных нарушений и зонам трещиноватости в сводах антиклинальных структур (Сыртовая равнина), может достигать 30 г/л и более, вызывая засоление прилегающих к зонам безнапорных водоносных горизонтов.

Первый от поверхности водоупор в пределах Скифской плиты юга Восточно-Европейской платформы представлен плиоцен-нижнечетвертичными глинами, палеогена, мела и юры, в границах днепровского оледенения - мореной. Для водоупора характерно наличие фациальных и эрозионных "окон".

Мелиоративные условия рассматриваемой провинции в основном определяются двумя факторами - развитием эолово-делювиального покрова лессов и лессовидных пород с горизонтами погребенных почв и наличием водоупорных красноцветных плиоцен-нижнечетвертичных глин и суглинков или днепровской морены. В пределах одной и той же области воды могут иметь сплошное зеркало или встречаться спорадически, или залегать в виде верховодки на погребенных почвах. Характерной особенностью лессового покрова является непостоянство литологических разновидностей разреза в пределах одного морфологического типа рельефа. Сложность изучения заключается и в том, что изменчивость состава пород, установленная для одного водораздела, не совпадает с таковой для другого. В этой связи следует рассматривать каждый водораздел как самостоятельный объект исследования. В настоящее время установлена генетическая связь между литологическими разновидностями отложений и различными уровнями поверхности отдельных форм рельефа.

Использование методов электроразведки на территории данной провинции для изучения состава отложений, их пористости и влажности (в зоне аэрации), а также состояния скальных и полускальных пород (трещиноватости) осложняется переменной минерализацией подземных вод и засоленностью пород зоны аэрации. В то же самое время зависимость удельных электрических сопротивлений пород от общей минерализации подземных вод и засоления поровой влаги в породах зоны аэрации обусловливает возможность получения корреляционных зависимостей между этими показателями и последующего их использования для построения карт общей минерализации подземных вод и засоленности пород зоны аэрации.

При минерализации подземных вод до 5 г/л применение метода ВЭЗ ВП и сравнение с методом ВЭЗ более эффективно для выделения в разрезе слоев (даже малой мощности) с различным содержанием глинистого материала (44, 67, 108).

Независимость скоростей распространения упругих волн в породах от общей минерализации поровых растворов позволяет широко использовать сейсморазведку в пределах провинции для определения уровня грунтовых вод в песчано-глинистых породах и лессах, литологического расчленения разреза и определения глубин залегания регионального водоупора на площадях переменной минерализации подземных вод.

Для исключения влияния влажности в зоне аэрации на упругие и электрические параметры пород на территории недостаточного увлажнения применение сейсморазведки и электроразведки следует приурочивать к наиболее сухому времени года, когда влажность в породах зоны аэрации достигает наименьших и относительно постоянных значений.

Для выделения в разрезах скважин безводных водопроницаемых горизонтов, залегающих ниже первого водоупора, глинистых и неглинистых пород, определения минерализации воды, содержащейся в коллекторах, сложенных рыхлыми отложениями, в региональный комплекс каротажных исследований следует включать нейтронный гамма-каротаж (НГК) и метод собственной поляризации (ПС).

Геофизические исследования на территории данной провинции применяются для решения следующих задач специализированных гидрогеологических и инженерно-геологических съемок масштаба 1:50000:

1. 1) расчленение разреза на литолого-генетические комплексы;

2. 2) выявление разрывных нарушений в дочетвертичных породах и проявлений неотектоники в толще покровных лессов;

3. 3) выявление эрозионных врезов древних долин стока;

4. 4) изучение мощности и строения зоны поверхностного выветривания в скальных и полускальных породах;

5. 5) выявление площадей развития геологических процессов и явлений (карста, суффозии, солончаков);

6. 6) выявление глубин залегания регионального водоупора (рельефа его кровли и подошвы), наличия фациальных и эрозионных "окон" в нем;

7. 7) определение уровня грунтовых вод в лессовидных отложениях;

8. 8) выделение водоносных горизонтов в отложениях неогена, палеогена, мела, карбона и водоносных трещиноватых зон в границах Украинского кристаллического щита, изучение их гидравлической связи с грунтовыми водами лессовидных отложений;

9. 9) выделение межпластовых безнапорных водоносных пород неогена или палеогена, залегающих ниже регионального водоупора или под лессовым покровом;

10. 10) определение общей минерализации подземных вод и засоления пород зоны аэрации;

11. 11) изучение связей между геофизическими параметрами и водно-физическими и физико-механическими характеристиками пород;

12. 12) выделение типовых участков и определение мест заложения опорных скважин.

Рациональный комплекс полевых геофизических методов для решения перечисленных задач должен включать: метод ВЭЗ ВП, КВЭЗ ВП, метод симметричного электропрофилирования (или КЭП, ДОП), сейсморазведку (МПВ) (83, 84).

В рациональный комплекс каротажных исследований входят: метод сопротивлений (модификации БКЭ, МЗ и КС двумя зондами с разными радиусами исследования), метод естественных потенциалов (ПС), гамма-каротаж (ГК), нейтронный гамма-каротаж (НГК), резистивиметрия, расходометрия, кавернометрия.

В качестве вспомогательных методов в комплекс включаются: метод ВЭЗ, КВЭЗ, метод заряженного тела (МЗТ), метод естественного электрического поля, сейсморазведка КМПВ, магниторазведка, гравиразведка, каротаж скважин с применением волнового электромагнитного каротажа (ВЗМК), термокаротажа.

Методы ВЭЗ и КВЭЗ используются, в основном, для выделения и изучения в разрезе скальных пород трещинно-карстовых и трещинно-пластовых водоносных зон и горизонтов.

Магниторазведка применяется в комплексе с ЭП и ВЭЗ для литологического картирования скального основания, залегающего под толщей четвертичных образований и представленного магнитоактивными изверженными и метаморфическими породами (Украинский кристаллический щит). При отсутствии в разрезе магнитоактивных пород магниторазведка заменяется гравиметрией.

Метод заряженного тела и естественного поля применяется, как правило, в комплексе с КВЭЗ и КВЭЗ ВП и используется для определения направления и действительной скорости потока подземных вод на водоразделах, их склонах и речных долинах (т.е. от области питания к области разгрузки), а также в зонах разрывных нарушений и фильтрационных "окон" в региональном водоупоре.

Волновой электромагнитный каротаж (ВЭМК) может использоваться для литологического расчленения разреза как в зоне полного водонасыщения, так и в зоне аэрации, выделения водоносных горизонтов и оценки их водообильности, оценки степени засоленности пород в зоне аэрации (В.С.Зинченко, Д.С.Даев, 1978 г.).

Термокаротаж применяется в скважинах, пробуренных на территориях, где по геофизическим данным под покровом четвертичных отложений выделяются тектонические нарушения или своды антиклинальных складок, через которые возможен переток с больших глубин напорных термальных вод в безнапорные водоносные горизонты или грунтовый поток. Для определения скорости фильтрации при перетекании через слабопроницаемые слои используется термометрический метод, основанный на изучении изменений в геотермическом поле Земли, вызванных фильтрационным потоком восходящей и нисходящей фильтраций (36, 57, 59-61).

При выборе сети наблюдений на исследуемой территории следует учитывать изменчивость как литологических разновидностей разреза в пределах одного морфогенетического типа рельефа, так и изменчивость состава пород при переходе от одного водораздела к другому, а также необходимость выявления разрывных нарушений, эрозионных врезов древних долин стока, фациальных и эрозионных "окон" в региональном водоупоре.

Пестрота минерализации подземных вод и отсутствие в ряде случаев резкой дифференциации по удельным электрическим сопротивлениям между четвертичными отложениями и корой выветривания скальных и полускальных пород, а также между отложениями эрозионных врезов и породами вмещающих их отложений, обусловливает необходимость постановки производства ВЭЗ-ВП на опорных профилях точечных сейсмических зондирований. В каждом конкретном случае глубинность исследования разреза с применением сейсморазведки устанавливается по данным рабочей модели и корректируется в поле по данным ВЭЗ и опытно-методических работ.

Расстояния между геофизическими профилями, исходя из природных условий данной провинции, могут составить 3-4 км, расстояние между точками ВЭЗ ВП и точечными сейсмозондированиями (ТЗ) по профилю - 1-2 км, а при детализации - 250-500 м.

Профили задаются из расчета пересечения ими основных морфогенетических типов рельефа с учетом простирания коренных пород и основных систем тектонических нарушений.

Выбор сети геофизических наблюдений при производстве детальной разведки для водозаборов подземных вод осуществляется в соответствии с указаниями, данными в работе (59).

На территории провинции, расположенной в климатической зоне недостаточного увлажнения, где преобладают процессы континентального засоления, особое внимание следует уделять выявлению мест разгрузки напорных минерализационных вод по зонам разрывных нарушений, ядрам антиклинальных структур (по зонам трещиноватости в них), залегающих выше регионального водоупора, и фациальным и эрозионным "окнам" в региональном водоупоре. Часто локальными очагами поступления напорных минерализованных вод в грунтовый поток являются перекрестия разрывных нарушений, нашедших проявление в новейшей тектонике.

Поступление к поверхности по указанным каналам напорных минерализованных вод вызывает изменение минерализации подземных вод как в безнапорных водоносных горизонтах, контактирующих с ними, так и повышение минерализации грунтового потока в местах их разгрузки, что при залегании грунтовых вод выше критического уровня вызывает интенсивное засоление земель.

Изменение минерализации подземных вод обусловливает соответствующее изменение удельных электрических сопротивлений и поляризуемости пород, что позволяет использовать методы ВЭЗ и ВЭЗ ВП для выявления очагов поступления напорных минерализованных вод к поверхности и оконтурить площадь наиболее интенсивного их влияния на окружающую среду.

Наличие линейно-вытянутых очагов разгрузки пересекаемых потоком грунтовых вод вызывает уменьшение удельных электрических сопротивлений ниже по потоку, а при наличии системы параллельных очагов разгрузки напорных вод сопротивление пород будет ниже по потоку ступенчато снижаться. Геофизические профили следует задавать параллельно потоку, постепенно увеличивая шаг между точками наблюдений с 250 до 500 м и 1-2 км по мере удаления от очага разгрузки.

Аналогичная природная обстановка, но с меньшей площадью воздействия на окружающую среду, возникает и при расположении линейных очагов разгрузки напорных вод вдоль потока.

При поисках обводненных зон (трещинно-жильных подземных вод) в массивах изверженных и метаморфизованных пород, залегающих под толщей четвертичных образований, производству детальных электроразведочных работ (ВЭЗ с шагом 250-500 м, ЭП с шагом 50 м) на опорных профилях должна предшествовать постановка магниторазведки с шагом 50 м или гравиразведки в случае отсутствия магнитоактивных пород). По данным магниторазведки гравиметрии намечаются точки наблюдений при производстве детальных электроразведочных работ.

Для сравнительной оценки анизотропности трещиноватых пород (трещиноватости по преобладающему направлению), а также определения состава заполнителя трещин (вода, глина и др.) в пределах водоразделов, их склонов и долин рек на опорных профилях выполняются КВЭЗ и КВЭЗ ВП (1-2 физ. точки в пределах каждого элемента) (109).

Величина разносов питающей линии при производстве ВЭЗ ВП и ВЭЗ зависит от глубин залегания перспективных для водоснабжения водоносных горизонтов и может составлять 1-2 км, а при необходимости изучения глубинного строения территории в отдельных точках (выделение регионального водоупора в толще коренных пород) разносы линии могут достигать 4 км. В каждом конкретном случае величина разноса линии уточняется по данным рабочей модели.

Величина разносов питающих линий при производстве ЭП для выделения обводненных зон в изверженных и метаморфических породах (Украинский кристаллический щит) может составлять 100-300 м () и 500-1000 м () или 75-200 м () и 300-900 м () при выделении трещинно-карстовых и трещинно-пластовых вод в карбонатных породах (юг Среднерусской возвышенности). В каждом конкретном случае величина разносов для ЭП уточняется по данным ВЭЗ (59, 67).

В процессе геофизических исследований, проводимых для обоснования специализированных съемок, выполняются опытно-методические работы с целью:

1. 1) привязки геоэлектрических разрезов к литолого-генетическим комплексам четвертичных отложений и стратиграфическому возрасту коренных пород;

2. 2) оценки проектного прогноза и фактического воздействия действующих объектов (массивов орошения, водозаборов подземных вод, гидротехнических сооружений и др.) на окружающую среду и выделение на исследуемой территории объектов-аналогов (см. раздел 1).

Для привязки геоэлектрических разрезов к литологическим разновидностям генетически связанных четвертичных отложений (лессам) сравниваются геоэлектрические разрезы, полученные в опорных точках, расположенных на площадях с различными уровнями поверхности. В результате сравнения выделяются площади с однотипными геоэлектрическими разрезами и близкими уровнями поверхности. Привязка геоэлектрических разрезов к стратиграфии коренных пород производится по общепринятой методике.

Опытно-методические работы по оценке проектного прогноза и фактического воздействия действующих объектов на окружающую среду выполняются на объектах, расположенных на прилегающих к исследуемой территории площадях (или в ее пределах) с учетом исследований, проведенных с применением методов ВЭЗ, ВЭЗ ВП, МЗТ, ЕП и резистивиметрии.

На массивах орошения исследования проводятся повторно на профилях, расположенных вдоль грунтового потока и перпендикулярно основным гидротехническим сооружениям (магистральным каналам и коллекторам, рядам скважин вертикального дренажа и водозаборам, водохранилищам). Профили продлеваются за пределы массива вверх по потоку на 1-2 км и вниз по потоку на 2-3 км. Если исходные геофизические данные по действующему массиву отсутствуют, то по указанным направлениям разбиваются режимные профили, на которых производится годовой цикл режимных наблюдений с применением методов ВЭЗ, ВЭЗ ВП, МЗТ, резистивиметрии и нейтронной влагометрии (86). Точки ВЭЗ на режимных профилях располагаются как вблизи водохранилищ, магистральных каналов и коллекторов, рядов скважин вертикального дренажа и водозаборов, так и на массиве с шагом 500-1000 м и выходом за его пределы. Наблюдения в точках ВЭЗ ведутся в весенний период сразу после таяния снега, в летний период в момент окончания поливов и в осенний период.

Данные режимных ВЭЗ годичного цикла или полученные в результате сравнения с исходными данными ранее выполненных работ обрабатываются на ЭВМ с решением прямой и обратной задачи. По результатам обработки данных ВЭЗ дается заключение об изменении минерализации подземных вод (по корреляционной связи типа на массиве и за его пределами как в течение годового цикла, так и с момента начала его эксплуатации, что позволяет сравнить проектный прогноз с фактическим изменением минерализации подземных вод (см. разделы 2 и 5).

Данные режимных ВЭЗ используются также для выделения на массиве участков, где засоление пород зоны аэрации протекает с различной интенсивностью. На участках оборудуются скважины для нейтронной влагометрии, и цикл наблюдений повторяется в течение года с применением микро-ВЭЗ с разносами , позволяющими вести наблюдения в зоне аэрации. Для исключения влияния влажности микро-ВЭЗ желательно выполнять при близких ее значениях. Данные микро-ВЭЗ также обрабатываются на ЭВМ, и в результате их обработки дается прогноз накопления солей (с использованием связи ) за годовой цикл (см. разделы 1 и 2).

При наличии режимных скважин у сооружений горизонтального или вертикального дренажа в скважинах выполняются опыты по определению скорости выноса солей потоком грунтовых вод с применением метода заряженного тела и резистивиметрии (31, 57, 58).

На территории недостаточного увлажнения минерализация грунтовых вод и засоление пород зоны аэрации по мере приближения к поверхностным водотокам (рекам, каналам) вначале возрастают, а затем снижаются. На массивах орошения, расположенных вдоль р.Сырдарьи и Южно-Голодностепского канала, ширина зоны повышенной минерализации достигает 1-2 км и более. Как показали геофизические исследования зон опреснения и повышенного засоления, развитых вдоль водотоков, опреснение и засоление разреза наблюдается до первого выдержанного по площади водоупора.

Для определения ширины этих зон, образовавшихся вдоль поверхностных водотоков, выполняется СЭП с двумя разносами питающих линий, один из которых характеризует породы зоны аэрации, второй - породы, залегающие ниже уровня грунтовых вод. В пределах зоны для определения глубины её распространения выполняется 1-3 ВЭЗ (в зависимости от ширины зоны). В результате этих работ дается прогноз развития процессов засоления в зонах каналов на массивах-аналогах (рис.18).

4.1.3. Провинция аккумулятивных равнин юго-востока Восточно-Европейской платформы (Прикаспийская низменность)

Провинция включает плоские низменные аккумулятивные первично-морские равнины северного Прикаспия, расположенные в климатической зоне недостаточного увлажнения с ярко выраженными процессами формирования грунтовых вод континентального засоления.

Источниками питания грунтовых вод, в основном, являются воды поверхностного стока, которые, собираясь в сорах, лиманах и падинах, инфильтруются в пески и супеси, образуя в их пределах линзы пресных вод, а при преобладании испарения грунтовых вод над инфильтрацией служат очагами их засоления. Минерализация подземных вод высокая и часто превышает 35 г/л.

Грунтовые воды приурочены к суглинкам, супесям, линзам песка и хорошо выдержанным прослоям песка хвалынского и хазарского ярусов. Водоупор представлен хазарскими и бакинскими глинами.

Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 0,05 до 15 м.

В условиях интенсивного континентального засоления пород зоны аэрации и подземных вод основным методом, позволяющим наиболее однозначно расчленить разрез по составу пород, является сейсморазведка в модификации точечных зондирований.

Для изучения засоленности пород зоны аэрации, общей минерализации подземных вод и условий залегания водоносных горизонтов и линз, содержащих пресные воды, следует использовать методы ВЭЗ и ЭП. Метод ВЭЗ ВП применяется для более детального изучения разреза в опорных точках при минерализации подземных вод, не превышающей 4 г/л, и слабом засолении пород зоны аэрации.

Высокая минерализация подземных вод ограничивает возможности применения методов ЕП, МЗТ и резистивиметрии с засолением бурового раствора (для определения мест водопритока и скорости фильтрации подземных вод).

Задачи геофизических исследований при проведении комплексной гидрогеологической и инженерно-геологической съемки для целей мелиорации следующие:

1. 1) расчленение разреза по составу пород с выделением различных литолого-генетических комплексов;

2. 2) выделение в разрезе водопроницаемых пород и водоупоров;

3. 3) определение глубин залегания регионального водоупора;

4. 4) выделение в разрезе и оконтуривание в плане линз пресных вод и очагов интенсивного засоления;

5. 5) определение засоленности пород зоны аэрации и общей минерализации подземных вод;

6. 6) определение УГВ в песчано-глинистых породах (в пределах линз пресных вод).

В рациональный комплекс полевых геофизических методов, применяемых для решения задач, входят: метод ВЭЗ, метод СЭП, сейсморазведка МПВ в модификации точечного зондирования (ТЗ), сейсморазведка КМПВ.

Рациональный комплекс каротажных методов может включать: метод кажущегося сопротивления (измерения стандартным зондом и измерения двумя зондами с разными радиусами исследования), боковое каротажное зондирование (БКЗ), микрокаротаж (МЗ), метод естественных потенциалов (ПС), гамма-каротаж (ГК), нейтронный гамма-каротаж (НГК), волновой электромагнитный каротаж (ВЭМК), расходометрию, резистивиметрию (одноразовое измерение удельного сопротивления раствора в скважине), кавернометрию.

Геофизические профили на местности задаются через 2-4 км и должны пересекать основные элементы микро- и макрорельефа (бессточные структурные котловины, соры, лиманы, падины, степные "блюдца"). Точки ВЭЗ на геофизических профилях совмещаются с точечными зондированиями (ТЗ). Расстояния между точками наблюдений по профилю (ВЭЗ, ТЗ), в основном, составляют 1-2 км. Величина разносов линии при глубине залегания регионального водоупора 100-200 м может достигать 1-2 км.

При оконтуривании линз пресных вод и "окон" в региональном водоупоре проводятся детализационные работы с применением методов СЭП, ВЭЗ и ТЗ. Первоначально на участке детализации по основному профилю выполняется СЭП с двумя разносами питающей линии, один из которых характеризует глубины залегания соленых вод, другой - пресных (или однородность пород в пределах глубин залегания регионального водоупора и вышележащих отложений). Симметричное ЭП производится с шагом по профилю равным 50-100 м. По данным ЭП выбираются места выполнения ВЭЗ и ТЗ.

Вдоль крупных поверхностных водотоков (рек, магистральных каналов без противофильтрационных покрытий) в зоне максимального засоления (местоположение и ширина зоны устанавливается по данным ЭП, выполненного по основным профилям, секущим водотоки) как с одной, так и с другой стороны выполняется СЭП с разносом , характеризующий отложения ниже УГВ. В местах, где на графиках ЭП будут отмечаться участки с максимальными значениями (характерными для содержания в отложениях пресных или слабосолоноватых вод), проходится профиль ЭП перпендикулярно водотоку до выхода за пределы линзы опресненных вод. По данным ЭП на участке залегания линз опресненных вод, обусловленных питанием из поверхностных водотоков, намечаются места производства ВЭЗ и ТЗ с шагом 0,5-1 км для определения мощности линз и условий их залегания.

Детализационные геофизические работы при выявлении разрывных нарушений и очагов разгрузки напорных минерализованных (или пресных) вод в грунтовый поток и оконтуривании площадей их воздействия на окружающую среду выполняются в соответствии с общими указаниями, данными на страницах 75, 76 настоящего раздела.

Детальная разведка подземных вод в пределах провинции производится в соответствии с методическими указаниями, приведенными в работе (59).

Основные виды и объемы геофизических исследований в рассматриваемой провинции следующие:

Рациональный комплекс каротажных исследований в полном объеме выполняется в 4-5 опорных скважинах (глубже 20 м), из которых производятся откачки. В остальных скважинах колонкового бурения (глубже 20 м) проводится стандартный каротаж с применением методов КС, ПС и ГК.

4.1.4. Провинция эрозионно-аккумулятивных равнин долин крупных рек внеледниковой зоны

В соответствии с районированием территории СССР по степени сложности геолого-геоморфологического строения и гидрогеологических условий, данных в работе (67), провинция включает долины рек Днестра, Днепра, Дона, Волги и Урала (внеледниковой зоны). Характерным в строении долин является присутствие на высоких террасах покровных лессов и лессовидных пород мощностью 10-20 м; наличие отложений пойменной и старичной фации в верхней части разреза низких террас; залегание в основании разреза аллювиальных отложений почти повсеместно отсортированных песков и гравия русловой фации. Эрозионные врезы долин являются как областями питания дочетвертичных водоносных горизонтов, так и областями разгрузки напорных и безнапорных водоносных горизонтов. Водовмещающими породами в толще аллювиальных отложений служат пески и гравийно-галечниковые образования, местными водоупорами - тяжелые суглинки и глины. Выдержанный водоупор отсутствует.

Общая минерализация грунтовых вод низких террас не превышает 1 г/л. В пределах высоких террас минерализация вод повышается до 3 г/л, иногда достигая в прибортовых частях долин 15 г/л. При пересечении долинами территорий с недостаточным увлажнением и повышенной минерализацией грунтовых вод за счет вторичного засоления на стыке опресненных вод долины и минерализованных вод грунтового потока возникают зоны с минерализацией вод до 30 г/л и более.

Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 1-5 до 40 м. На суглинках и глинах образуется верховодка, залегающая на глубине 5-16 м.

Глубина залегания дочетвертичных пород в эрозионных врезах долин, в том числе водоносных горизонтов, не связанных в данном районе с водоносными горизонтами долин, но обладающих значительными напорами, может составлять 80-120 м, а в погребенной плиоценовой долине пра-Волги она достигает 250 м и более. Часто долины крупных рек (в том числе и погребенные) приурочены к тектоническим нарушениям, обуславливающим разгрузку напорных вод разной минерализации в воды долин.

Наличие в пределах долин как пресных, так и минерализованных вод, малая разница в удельных электрических сопротивлениях при залегании грубообломочных четвертичных образований на карбонатно-галогенных породах коренной основы создают условия, в которых расчленение разреза на литолого-фациальные комплексы и разностороннее его изучение (с выделением разрывных нарушений и зон трещиноватости) возможно осуществить на основе комплекса геофизических методов, включающих примерно в равных объемах методы ВЭЗ, ЭП, ВЭЗ ВП, сейсморазведку, а в отдельных случаях гравиметрию.

Неглубокое залегание грунтовых вод, движущихся с относительно большой скоростью, низкая их минерализация позволяют широко использовать методы заряженного тела (МЗТ) и естественного электрического поля (ЕП) для получения действительных скоростей и направления подземного потока.

При проведении комплексной гидрогеологической и инженерно-геологической съемки для целей мелиорации в данной провинции изучению геофизическими методами подлежат:

1. 1) распространение и условия залегания стратиграфо-генетических комплексов отложений различных террас, разрез лессовидных суглинков с выделением литолого-фациальных комплексов;

2. 2) положение в плане и разрезе водоносных отложений и водоупоров в толще аллювиальных отложений;

3. 3) границы площадей с пресными и минерализованными водами;

4. 4) положение коренного ложа реки, контуров древних погребенных долин;

5. 5) водоносные горизонты и комплексы неогеновых, палеогеновых и меловых отложений как разгружающиеся в эрозионный врез, так и подстилающие его;

6. 6) фильтрационные свойства водовмещающих пород (коэффициенты фильтрации, водопроводимость) и водоупоров;

7. 7) общая минерализация подземных вод и засоление пород зоны аэрации;

8. 8) глубины залегания УГВ;

9. 9) современные и древние геологические процессы и явления.

Полевые геофизические исследования выполняются с применением рационального в данных природных условиях комплекса, который включает: метод ВЭЗ, ВЭЗ ВП, сейсморазведку, МЗТ, ЕП и гравиразведку.

В рациональный комплекс геофизических методов исследования скважин входят: метод сопротивлений (КС двумя зондами с разными радиусами исследования, БКЗ, МЗ), метод естественных потенциалов (ПС), гамма-каротаж (ГК), нейтронный гамма-каротаж (НГК), резистивиметрия, расходометрия, кавернометрия. Если по данным рабочей модели на исследуемой территории ожидается разгрузка по разрывным нарушениям в грунтовый поток термальных напорных вод, в комплекс включается термометрия.

При геофизических исследованиях крупных долин стока (современных рек и погребенных долин) независимо от границ территорий, подлежащих изучению, в площадь исследований необходимо включать прилегающие к долине водораздельные пространства для выяснения на водозаборных площадях условий инфильтрации поверхностных вод, обследования трещиноватости коренных пород.

Водораздельные пространства отрабатываются отдельными профилями ВЭЗ через 4-8 км с шагом по профилю 1-2 км.

В пределах долины основная сеть геофизических профилей разбивается вкрест долины через 2-4 км с шагом наблюдений по профилю с применением методов ВЭЗ, ВЭЗ ВП и сейсморазведки (ТЭ) через 0,5-1 км.

ВЭЗ, исходя из необходимости изучения глубин до 80-120 м, производятся с 1-2 км, ВЭЗ ВП с 0,5-1 км.

Сейсморазведка выполняется в модификации точечных зондирований (МПВ) с длиной гидрографа до 200 м и расстоянием между сейсмоприемниками 5-10 м, что позволит выделить в верхней части разреза скоростные границы (до глубин 20-30 м), соответствующие различным литологическим разностям пород, получить их упругие характеристики (, , , и др.) и определить УГВ.

В местах пересечения профилями стратиграфо-генетических комплексов различных террас, разрывных нарушений, примыканий эрозионных врезов долин к коренным породам и в зонах повышенной минерализации, возникающих на стыке минерализованных вод грунтового потока и опресненных вод долин, установленных по данным первичной модели и геофизических исследований на основных профилях, производится СЭП с двумя разносами питающей линии (см. с.75, 76, 86) и шагом по профилю 25-50 м.

Над разрывными нарушениями (по данным ЭП) и в центральной части погребенных долин выполняются КВЭЗ и КВЭЗ ВП, позволяющие установить преобладающее направление трещиноватости, состав заполнителя трещин коренных пород и направление сноса материала.

Крестовые ВЭЗ или ВЭЗ ВП на детализационной части основных профилей производятся через 250-500 м с направлением линии вдоль профиля и по направлению преобладающей трещиноватости или направлению сноса материала, что позволит получить дополнительную информацию о влиянии разрывного нарушения и эрозионного вреза долины на окружающую среду.

В случаях, когда по данным ВЭЗ на основных профилях и ЭП в детализационной их части эрозионный врез долины или разрывные нарушения не отмечаются, применяется сейсморазведка КМПВ, а в случае древних погребенных долин, перекрытых мощным покровом четвертичных образований, - сейсморазведка MOB.

В случае необходимости в пределах долины задаются дополнительно детализационные профили на удалении 500-1000 м от основного.

Для изучения фильтрационной неоднородности песчано-глинистых отложений (на глубинах до 5-10 м), определения мест инфильтрации поверхностных вод или грунтового потока вглубь долины и разгрузки напорных вод в грунтовый поток, определения направления потока подземных вод и их связи с рекой (наблюдения проводятся при разных уровнях воды в реке) применяется метод ЕП на детализационной части профилей. Участки производства ЕП уточняются по данным ЭП и ВЭЗ.

Рациональный комплекс каротажных исследований выполняется во всех опорных скважинах (глубже 40 м), пробуренных для изучения русловых фаций, стратиграфо-генетических комплексов речных террас и вскрывших водоносные горизонты в коренных породах.

В скважинах рядовой сети (глубже 10 м) производится стандартный каротаж с применением методов КС, ПС, ГК и резистивиметрии.

1.	Площадь исследования	- 340 км
2.	ВЭЗ с 1001-2000 м через 2 км	- 60 п.км
3.	ВЭЗ с 251-500 м через 2 км	- 60 п.км
4.	Сейсморазведка (ТЗ) через 2 км	- 60 п.км
5.	ЭП с 20-30 м через 250 м	- 60 п.км
6.	ВЭЗ с 501-1000 м через 500 м (30% от протяженности профилей ЭП)	- 18 п.км
7.	Крестовые ВЭЗ и ВЭЗ-ВП 501-1000	- 7 ф.т.

4.2.1. Подпровинции низменных полого-волнистых и полого-грядовых аллювиальных четвертичных равнин Юго-Западной Сибири с внутренним замкнутым стоком и низменных плоских озерно-аллювиальных плиоцен-нижнечетвертичных равнин юга и юго-запада Западной Сибири с замкнутыми впадинами и древними долинами стока.

Природные условия этих подпровинций в общих чертах сходны с провинцией денудационно-аккумулятивных равнин центральной части Восточно-Европейской платформы и Скифской плиты, что обусловливает аналогию в подходе к выбору рациональных комплексов полевых геофизических методов и каротажа скважин.

Задачи геофизических исследований на данной территории сводятся к следующему:

1. 1) выделение литологических разновидностей лессовых пород;

2. 2) расчленение разреза на отдельные литологические разности и литолого-генетические комплексы пород;

3. 3) выделение в разрезе водоносного горизонта и первого от поверхности локального водоупора, определяющего гидродинамический режим грунтовых вод лессовидных суглинков, первого от поверхности местного водоупора, а при отсутствии последнего - регионального водоупора, представленного чеганскими глинами;

4. 4) определение засоления пород зоны аэрации и общей минерализации подземных вод каждого водоносного слоя до глубин залегания выдержанного водоупора;

5. 5) изучение взаимосвязей водоносных горизонтов;

6. 6) прогноз изменения по площади и водопроводимости водоносных горизонтов и водно-физических пород зоны аэрации;

7. 7) прогноз изменения по площади физико-механических свойств пород;

8. 8) изучение геологических процессов и явлений (солончаки, заболачивание, просадки).

Геофизические профили задаются через 3-4 км из расчета пересечения ими основных морфологических поверхностей равнин - гряд, межгрядовых понижений, озерных котловин, долин стока.

Точки наблюдения по профилю располагаются через 2 км, причем точки ВЭЗ и ВЭЗ ВП (совмещенные с ТЗ) по профилю чередуются (возможен вариант раздельного выполнения профилей ВЭЗ и профилей ВЭЗ ВП-ТЗ). В местах пересечения профилями озерных котловин и долин стока производится детализация с шагом по профилю 250-500 м.

На территории озер геофизические исследования по профилям производятся в зимнее время со льда с шагом 250-500 м и 501-1000 м (наблюдения могут сопровождаться применением резистивиметрии и тормометрии).

ВЭЗ производится с 1001-2000 м, ВЭЗ-ВП с 250-500 м (уточняется по данным первичной модели).

Сеть наблюдений, объемы и методика геофизических работ с применением методов ЭП, МЗТ, ЕП выбираются в соответствии с указаниями, данными на с.75-78.

Виды и объемы основных геофизических исследований для данной провинции следующие:

Рациональный комплекс каротажных методов выполняется во всех опорных скважинах глубже 30-35 м. В остальных скважинах производится стандартный каротаж с применением наиболее эффективных методов.

1.	Площадь исследований	340 км
2.	ВЭЗ 1-2 км через 1 км	100 п.км
3.	ВЭЗ 1-2 км через 0,5 км	20 п.км
4.	ВЭЗ 1-2 км через 0,25 км	8 п.км
5.	ВЭЗ-ВП=251-500* м через 1 км	50 п.км
6.	Сейсморазведка (МПВ в модификации ТЗ)	50 п.км

Рис.19. Режим влаго- и солепереноса при промывках опытного участка Балед-Руз, чек 8 по данным микро-ВЭЗ (суглинки)

График изменения (омм).

График изменения минерализации воды.

График изменения влажности пород зоны аэрации.

Глубина залегания слоя

1 - 0,0-0,28 м

2 - 0,28-0,55 м

3 - 0,55-1,00 м

4 - 1,00-1,50 м

5 - 1,50-2,00 м

6 - >2,00 м

Рис.20. Режим влаго- и солепереноса при промывках опытного участка Балед-Руз, чек 8 (глины)

График изменения (омм).

График изменения минерализации воды.

График изменения влажности пород зоны аэрации.

Глубина залегания слоя

1 - 0,0-0,28 м

2 - 0,28-0,55 м

3 - 0,55-1,00 м

4 - 1,00-1,50 м

5 - 1,50-2,00 м

6 - >2,00 м

Момент завершения выноса растворимых солей из грунтов зоны аэрации устанавливается по наступлению стабилизации их сопротивлений.

Для определения времени смыкания фронтов влаги в посадочных полосах при поливах по бороздам могут использоваться микро-ВЭЗ и метод ЕП. С этой целью установка микро-ВЭЗ монтируется в центре посадочной полосы с разносом вдоль посадочной полосы.

Момент смыкания фронтов фиксируется по максимальным значениям на кривых микро-ВЭЗ и максимальными значениями приращений потенциалов фильтрации относительно к исходному полю с учетом знака потенциала. Во всех случаях измерения потенциалов фильтрации нулевой электрод располагается от типовой площадки выше по потоку.

Ключевые участки, расположенные на территории возвышенных аллювиальных и аллювиально-пролювиальных подгорных равнин (конуса выноса и межконусных пространствах), оборудуются скважинами, вскрывающими зону аэрации и водоносные горизонты, используемые для водозабора подземных вод на орошение (или вертикальный дренаж), и в местах их заложения ставятся круговые ВЭЗ, ВЭЗ ВП с , характеризующие разрез до первого водоупора, залегающего ниже эксплуатируемых водоносных горизонтов. В скважинах производится рациональный комплекс каротажных исследований, в результате которого уточняется разрез зоны аэрации, выделяются водоносные горизонты и водоупоры, определяются статические уровни напорных вод, минерализация вод каждого водоносного горизонта, взаимосвязь водоносных горизонтов и т.п.

К проектируемым рядам водозаборных скважин оборудуются створы режимных скважин на основные водоносные горизонты, а вблизи водозаборных скважин бурятся наблюдательные скважины с посадкой фильтров в интервале каждого водоносного горизонта. В скважинах в процессе их бурения производятся каротажные работы и определяются скорости фильтрации подземных вод, направление грунтового потока и их действительная скорость.

На исследуемой территории помимо ключевых участков в пределах распространения основных литолого-генетических комплексов с учетом изменения удельных электрических сопротивлений пород дополнительно выполняются круговые ВЭЗ, ВЭЗ ВП.

Материалы круговых ВЭЗ, ВЭЗ ВП с учетом данных каротажа обрабатываются на ЭВМ. В результате этой обработки и исходя из геологического строения территории выбирается азимут, по которому в течение гидрологического года производится замкнутый цикл режимных наблюдений ВЭЗ. Наблюдения ведутся в зимний период, в период влагозарядки почв, вегетационный период и осенний период. Одновременно во всех скважинах, расположенных на ключевых участках и исследуемой территории, производится резистивиметрический и термометрический каротаж, а в скважинах режимного ряда дополнительно при работе скважины водозаборного ряда определяется скорость выноса солей из грунтового потока при запуске солевой "метки" в одну из наблюдательных скважин.

Последующие циклы режимных наблюдений проводятся с начала первого года эксплуатации массива орошения и водозаборных сооружений, т.к. орошение вызовет вынос солей из зоны аэрации в подземные воды (мощность зоны аэрации в предгорьях может достигать 100 м и более), а интенсивный водозабор подземных вод на орошение может усилить приток более минерализованных подземных вод, разгружающихся в эксплуатируемые водоносные горизонты по зонам разломов и зонам трещиноватости в ядрах погребенных антиклинальных структур, содержащих галогенные породы.

Режимные геофизические наблюдения этих лет позволят установить наличие солей в подземных водах эксплуатируемых водоносных горизонтов и дать сравнительную оценку интенсивности развития этого процесса на площади массивов орошения и прилегающих к ним территорий как по отношению к исходному варианту минерализации подземных вод, так и во времени. В зоне аэрации режимные геофизические наблюдения дадут возможность изучить динамику влаго- и солепереноса.

Режимные геофизические наблюдения на ключевых участках в период эксплуатации мелиорируемых земель должны рассматриваться как эталонные при оценке воздействия мелиорации на окружающую среду для своевременного внесения изменений в режим эксплуатации земель.

Рис.21. Зависимость

Точки пересечения прямых линий регрессии определяют положение граничных точек, которые позволяют установить градации , соответствующие грунтам различного механического состава (табл.3).

     
Таблица 3

Изучение условий формирования верховодки или изучение процессов влаго- и солепереноса при промывках засоленных земель (в континентальной зоне недостаточного увлажнения и формирования вод вторичного засоления), геофизические исследования с применением указанного комплекса ведутся при наливах в котлован (траншею) и при постоянном заполнении до определенного уровня обвалованных площадок водой.

На площадке, где предусматривается налив в котлован, предварительно выполняются для определения УГВ (уровня капиллярного поднятия) и наклона первого от поверхности водоупора круговое сейсмозондирование по системе встречных годографов. Режимный ряд скважин под влагометрию задается по падению пород.

Методика изучения влаго- и солепереноса как при изучении условий формирования верховодки, так и при промывках изложена на с.114-118 настоящего руководства и в работах (85, 86).

Для интерпретации данных микро-ВЭЗ (особенно режимных) требуется точная привязка к разрезам скважин и шурфов. Расчленение разреза осуществляется в результате обработки данных нейтронной влагометрии и плотнометрии с учетом скорости продвижения гравитационной влаги по разрезу и лабораторных анализов образцов грунтов (86).

Карты изоом используются для выбора сети микро-ВЭЗ, обоснования типа дренажной сети и ее параметров, построения фильтрационных карт с выделением различных по динамике зон, а также позволяют дифференцированно подойти к оценке влагозапасов в грунте и установить оптимальные нормы и сроки полива.

При выборе междренных расстояний по картам изоом следует учитывать степень анизотропности поля , под которой подразумевается отклонение среднего квадратичного отклонения от среднего арифметического в пределах той или иной градации, характеризующей грунты различного механического состава.

Поправку на междренное расстояние за степень анизотропности грунтов вычисляют по формуле

,                                                                 (112*)

     
где - междренное расстояние, м.
_________________

* Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Для изучения особенностей строения зоны аэрации в пределах площадей распространения грунтов различного механического состава, по данным СЭП, производятся микро-ВЭЗ. Точки микро-ВЭЗ располагаются по сети 250x250 м.

Полуразносы питающей линии могут составить (в метрах): 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0; 1,25; 1,50; 2,00; 2,50; 3,00; 4,00; 5,00; 7,0; 10,0; 15,0; 22,0. Разносы приемной линии могут выбираться в пределах 0,1-0,5 м.

Для исключения влияния поляризации и глубины заземления питающих электродов на малых разносах (до 1,5-2,0 м) рекомендуется использовать угольные электроды (элементов батарей ГРМЦ) и заглублять их не более 5 см.

При отсутствии помех для повышения производительности работ лучше использовать обратную установку. С целью повышения точности наблюдений замеры силы тока и разности потенциалов выполняются одновременно.

В пределах участков с однотипным по данным микро-ВЭЗ разрезом оборудуются площадки для изучения влагопереноса (массивы расположены в зоне избыточного и достаточного увлажнения) при проектируемых нормах и способах полива. Площадка должна иметь горизонтальную поверхность и размеры в 2-3 раза превышающие размеры установки микро-ВЭЗ. Площадка обваловывается валиком, исключающим растекание воды за ее пределы при поливах.

В центре площадки монтируется установка микро-ВЭЗ и оборудуются скважины под влагометрию и плотнометрию для изучения зоны аэрации и почвенного слоя (86). В случае, когда разрез почвогрунтов сложен рыхлыми песчано-глинистыми средами, на площадке выполняется съемка потенциалов естественного электрического поля в два цикла - до полива и сразу после впитывания нормы полива. По данным ЕП оценивается неоднородностью развития процесса впитывания влаги по площади. Точка для заложения скважин под влагометрию и плотнометрию выбирается за пределами аномальных значений потенциалов ЕП. За контуром площадки на расстоянии, исключающем влияние полива, оборудуются микро-ВЭЗ и скважины под влагометрию (см. с.114-118), позволяющие получить изменения и влажности почвогрунтов при естественном увлажнении.

На следующем этапе работ производится полив с использованием норм и способов полива, предусматриваемых проектом на основании почвенно-мелиоративных съемок. Микро-ВЭЗ и измерение влажности, а в благоприятных условиях и ЕП на площадке производится ежедневно в течение цикла увлажнения почвогрунтов нормой полива и возвращения влажности к исходным значениям. В контрольной точке за пределами площадки наблюдения выполняются в начале и конце цикла, а при выпадении осадков ежедневно - в течение времени достижения исходной влажности. Наблюдения на площадке и в контрольной точке могут повторяться при проведении поливов в разное время года и носить режимный характер в течение годовых циклов не более двух лет (срок сохранения скважин под влагометрию).

При годовых циклах ведутся наблюдения (или собираются сведения) за количеством выпадающих осадков, испарением и урожайностью культур на типовом участке в естественных условиях. Полученные данные используются для уточнения норм полива.

Кривые микро-ВЭЗ обрабатываются на ЭВМ.

Данные геофизических исследований используются при составлении основных (геоморфологической, четвертичных отложений, гидрогеологической, инженерно-геологической, гидрогеологического и инженерно-геологического районирования) и специализированных (глубин залегания, минерализации, общей минерализации подземных вод, стратиграфо-генетических комплексов и состава пород и др.) карт.

Рис.22. Зависимость между относительным сопротивлением и коэффициентом трещиноватости скальных пород

На палетке представлено семейство кривых, шифром которых является коэффициент трещиноватости (в процентах).

По оси абсцисс палетки отложены относительные сопротивления крепкой монолитной породы, определяемые первичной (межзернистой) пористостью, а по оси ординат - относительное сопротивление той же породы, но при наличии в ней водоносных трещин. Величина находится по модулю кривой палетки, проходящей через точку с координатами и . За параметр принимают самую большую величину относительного сопротивления, встреченную в разрезе скважин.

Сравнительная оценка и количественное определение водно-физических, физико-механических, деформационных и других свойств пород производится на основе теоретических, эмпирических и корреляционных связей между геофизическими параметрами и указанными свойствами пород, определенных традиционными методами (см. разделы 1, 2 настоящего пособия и работы 55, 76, 88).

После выбора створа плотины геофизические исследования ведутся применительно к выбранному варианту и на площади компановки сооружений гидроузла. Особое внимание уделяется изучению фильтрационных и прочностных характеристик пород оснований сооружений и разработке мероприятий по улучшению оснований. В связи с этим возрастает роль сейсмических и ультразвуковых методов при изучении физических свойств пород (плотности рыхлых обломочных и связных пород, пористости и трещиноватости скальных и полускальных пород), физико-механических свойств пород (упругих и деформационных характеристик твердых пород и модуля деформации рыхлых пород); прочностных характеристик пород (предел прочности на сжатие), а также при изучении напряженного состояния массивов пород. Исследования ведутся с поверхности земли, в скважинах и при геотехнических штамповых испытаниях в горных выработках и обнажениях коренных пород.

Методика этих исследований подробно изложена в работах (76, 89).

При изучении фильтрационных свойств пород для расчета притока воды в котлованы оснований сооружений и фильтрации в основании плотины возрастает роль каротажных методов, таких как расходометрия и резистивиметрия. Методика исследований с применением этих методов подробно изложена в работах (28, 31).

Исследования ведутся по осевому профилю сооружений и оконтуривающим площадь основания сооружения профилям с выходом за ее пределы (на 1,5-2 длины профиля).

Объемы наземных геофизических работ и сеть наблюдений устанавливаются в соответствии с масштабом инженерно-геологической и гидрогеологической съемок по табл.7.

Если рассматриваемый в проекте створ и трассы сооружений размещаются вне пределов разведанной ранее территории, или если существенно меняются типы и параметры сооружений, то для окончательного принятия решений по выбору варианта должны быть выполнены геофизические исследования территории в объеме, необходимом для решения возникающих вопросов.

При разработке мероприятий по усилению оснований сооружений или моделирования в натуре конструкций земляных плотин следует предусматривать опытно-методические геофизические работы по оценке качества выполняемых работ.

Опытно-методические работы проводятся также при изучении карста и оползней. Изучение карста производится комплексом методов, в который входят: метод естественного электрического поля, ВЭЗ, электропрофилирование, метод заряженного тела и резистивиметрия (56).

Для выявления характера движения воды по карстовым путям геофизические исследования ведутся при мощных откачках в карстовых зонах, выявленных ранее, в пределах контура створа.

Первоначально в пределах зоны развития карста производится съемка потенциалов естественного поля и электропрофилирование с разносом , характеризующим породы на уровне подземных вод по сети 5х5 м. В отдельных скважинах проводятся опыты с применением МЗТ для определения направления и действительной скорости подземного потока и измеряется сопротивление воды во всех скважинах, расположенных в пределах зоны (до постановки МЗТ). Последующие циклы наблюдений повторяются в процессе мощной откачки при двух стабилизациях уровня. В результате выполненных работ строятся карты приращений потенциалов ЕП по отношению к исходному полю (каждый цикл ЕП снимается до постановки МЗТ) и карты , на которые наносятся направления и действительные скорости подземного потока.

Для сравнительной оценки выноса материала, заполнителя карстовых полостей и трещин в процессе откачек, ведущихся при проходке котлованов, в скважинах, расположенных за пределами котлованов и с обеих сторон завес и перемычек, периодически проводится определение скоростей фильтрации с помощью резистивиметрии. За пределами основания плотин в нижнем бьефе оборудуются скважины для производства режимных наблюдений за изменением скоростей фильтрации в результате цементации (создание противофильтрационных завес) карстовых и трещиноватых зон.

Режимные наблюдения за развитием или затуханием (в результате кольматации) процессов фильтрации в основании плотин (без гидроэлектростанций) можно осуществлять при достижении постоянных уровней воды в водохранилище на основе периодических измерений потенциалов фильтрации в основании плотин со стороны нижнего бьефа.

При изучении оползней опытно-методические геофизические работы выполняются для решения следующих задач (4, 50):

1. 1) определения поверхности смещения;

2. 2) районирования оползневого участка по степени однородности геофизических параметров;

3. 3) выделения границ сочленения зон неоднородностей;

4. 4) выбора мест проведения стационарных геофизических наблюдений;

5. 5) выбора мест заложения горных выработок для изучения оползневого тела.

Для решения перечисленных задач применяются круговые ВЭЗ, ВЭЗ ВП, электропрофилирование, метод ЕП и сейсморазведка (МПВ).

Сеть наблюдений выбирается в зависимости от масштабов специализированных съемок.

Данные круговых ВЭЗ, ВЭЗ ВП позволяют районировать участок по степени однородности геофизических параметров. По данным СЭП уточняются границы сочленения неоднородных зон.

При выделении негоризонтальных поверхностей в разрезе можно использовать ВЭЗ в модификации двух составляющих ВЭЗ МДС (112).

Для определения поверхностей смещения применяются сейсмические наблюдения с исследованием встречных и нагоняющих систем. В ряде случаев продольное профилирование целесообразно дополнить непродольным, с использованием продольных и поперечных волн, при различных направлениях возбуждения колебаний. Наблюдения могут выполняться в разных азимутах. Расстояние между сейсмоприемниками, как правило, составляет 1-2 м.

В результате геофизических исследований выбираются места заложения горных выработок для изучения оползневого тела традиционными методами и определяются места проведения стационарных геофизических наблюдений.

В пределах оползневого тела оборудуются скважины для производства нейтронной влагометрии.

Геофизические исследования при изучении гидрогеологических и инженерно-геологических условий чаш водохранилищ выполняются в пределах контура подтопления и переработки берегов с выходом по отдельным профилям на участках, где предполагается фильтрация в соседнюю долину, за водораздельную часть (10).

Геофизические профили задаются вкрест основным геоморфологическим элементам. Расстояния между геофизическими профилями в зависимости от масштаба специализированных съемок могут составить 500-2000 м, а расстояние между точками наблюдения по профилю - 200-500 м (см. табл.4). Вдоль контура подтопления выполняется СЭП с шагом по профилю 100 м и двумя разносами линии , один из которых характеризует однородность четвертичных образований, а другой - однородность коренных пород. Затем, с учетом данных СЭП, в пределах контура подтопления задаются точки ВЭЗ (или ВЭЗ ВП, ТЗ).

В местах разрывных нарушений, эрозионных врезов древних русел, выделенных как по данным геофизических исследований, так и аэрокосмическим снимкам проводятся детализационные работы по сгущенной в 2-2,5 раза сети. С этой целью в программах работ следует предусматривать 20-30% детализационных работ от общей протяженности профилей для отдельных видов геофизических исследований.

При использовании озер в качестве накопительных емкостей в пределах их акватории проходятся (в зимнее время) поперечники и связующие профили, выполненные на берегах, с шагом между точками ВЭЗ, равным 500 м. В центральной части озера отрабатывается продольный профиль.

В точках ВЭЗ производится замер глубин, сопротивления и температуры воды в придонной части.

В местах резкого сокращения мощности донных отложений, залегающих на коренных скальных и полускальных породах, производятся детализационные работы для выявления фильтрационных окон в донных отложениях, по которым идет подток напорных вод в озера или отток озерных вод в нижележащие водоносные горизонты.

При детализационных работах наблюдения ведутся по сети 50-100x50-100 м с использованием ВЭЗ, ЕП, резистивиметрии и термометрии.

В центральных частях зон разрывных нарушений, трещиноватости и фильтрационных окон для определения преобладающего направления трещиноватости выполняются круговые ВЭЗ (на суше также КВЭЗ-ВП).

Для определения направления вертикальной фильтрации (восходящей или нисходящей) в центральной части фильтрационного окна, приуроченного к донным отложениям озера, через трубы со льда в придонную часть подается "метка" высокоминерализованного раствора, и с помощью резистивиметрии по окружностям ведутся наблюдения за поведением "метки". При быстром сокращении и исчезновении метки фиксируется нисходящая фильтрация, при восходящей фильтрации метка растекается по дну озера (метод применим для глубин 5-10 м).

По геофизическим данным задаются опорные скважины и выбираются места проведения опытных фильтрационных работ. Режимные исследования с применением рационального комплекса методов проводятся в опорных скважинах.

В скважинах, пробуренных по контуру подтопления в зонах трещиноватости или в пределах эрозионных врезов, проводятся опыты по определению направления и действительной скорости подъемного потока с применением МЗТ.

Геофизические исследования на выбранных вариантах трасс каналов (магистральных, судоходных, соединительных и др.) позволяют решать следующие задачи:

1. 1) изучение однородности отложений в пределах выемки каналов и их оснований;

2. 2) определение глубин залегания коренных пород и оценка их состояния;

3. 3) определение глубин залегания первого от поверхности или регионального водоупора;

4. 4) выявление погребенных эрозионных врезов водотоков или древних каналов, секущих трассы проектируемых каналов;

5. 5) выявление разрывных нарушений и зон трещиноватости в коренных породах, служащих основанием сооружений;

6. 6) выявление напорных водоносных горизонтов, залегающих в основании каналов и оценка их минерализации;

7. 7) оценка общей минерализации подземных вод;

8. 8) изучение фильтрационных характеристик пород.

Для решения перечисленных задач применяется рациональный комплекс геофизических методов, принятый для таксономических единиц, на территории которых проходят трассы каналов.

Оценка однородности отложений вдоль контура выемки канала (с каждой ее стороны) производится по данным СЭП с шагом по профилю 50-100 м с двумя разносами питающей линии , один из которых характеризует породы выемки, другой - породы основания канала.

По оси канала производятся точки ВЭЗ, ВЭЗ ВП или сейсмозондирования (ТЗ).

Точки наблюдений по профилю располагаются в среднем через 250-500 м с учетом данных СЭП. Исследования ведутся до глубин залегания первого от поверхности или регионального водоупора.

На участке выхода коренных пород на поверхность или залегания их выше дна канала для оценки состояния коренных пород (выветрелости, трещиноватости) выполняется сейсмопрофилирование как по осевому профилю, так и по профилям вдоль контура канала (см. с.132).

В случае, когда коренные породы представлены магнитоактивными разновидностями, одновременно с сейсморазведкой производится и магниторазведка с шагом по профилю 50-100 м.

Для определения направлений трещиноватости и состава заполнения трещин на указанных участках трасс выполняются круговые ВЭЗ и ВЭЗ ВП или круговые сейсмозондирования.

Аналогичные геофизические работы проводятся и на поперечниках.

Данные СЭП и ВЭЗ, выполненные на поперечниках и вдоль контура канала, хранятся как эталонные для оценки во времени воздействия каналов на окружающую среду и выявления мест повышенной фильтрации из каналов в период их эксплуатации.

По геофизическим данным намечаются места заложения опорных скважин, проведения опытно-фильтрационных работ и полевых геотехнических испытаний. В опорных скважинах, пройденных до первого или регионального водоупора, а также вскрывших первый напорный горизонт, выполняется рациональный комплекс каротажных исследований для изучения разреза и оценки фильтрационных свойств пород.

В скважинах, расположенных в эрозионных врезах, древних погребенных каналах, разрывных нарушений и трещиноватых зонах коренных пород, производятся опыты по определению скорости фильтрации, направления потока и действительной скорости подземных вод. Скважины, расположенные за пределами выемки канала, оборудуются как режимные, для оценки развития процессов фильтрации во времени (суффозии) в период эксплуатации каналов. Аналогичные исследования с применением геофизических методов ведутся и по трассам коллекторов.

Методика применения геофизических исследований при поисках и разведке подземных вод на всех этапах изысканий подробно изложена в работе (59).

В результате интерпретации и статистической обработки геофизических данных с привлечением материалов, полученных ранее при исследованиях на массивах мелиорации земель, уточняются теоретические, эмпирические и корреляционные связи между геофизическими характеристиками пород и параметрами, отражающими состояние и свойства пород, определенными традиционными методами; строятся геолого-геофизические разрезы, специализированные карты и составляются таблицы свойств пород.

Построению геолого-геофизических разрезов должно предшествовать построение разрезов , геоэлектрических и сейсмических разрезов. На геоэлектрические и сейсмические разрезы наносятся опорные скважины, и в каждой точке наблюдений выносятся значения удельных электрических сопротивлений слоев, слагающих разрез, и скорости распространения в них упругих волн, параметры, характеризующие свойства и состояние пород (трещиноватость, водопроницаемость и др.), определенные по геофизическим данным. Это позволит проследить динамику изменения состава и свойств пород от точки к точке и в разрезе в целом.

На геолого-геофизические разрезы, как правило, наносятся осредненные показатели, характеризующие состояние и свойства пород, слагающих разрез, рекомендуемые для проектных проработок.

Геофизические данные используются для построения следующих карт:

1. 1) инженерно-геологической;

2. 2) гидрогеологической;

3. 3) карты засоления пород зоны аэрации и общей минерализации подземных вод;

4. 4) геоморфологической (карты типов кривых ВЭЗ, ВЭЗ ВП);

5. 5) карты кровли коренных пород;

6. 6) карты срезы (в основании сооружений);

7. 7) карты физико-геологических явлений (оползней, карста и др.).

На карту кровли коренных пород наносятся удельные электрические сопротивления слагающих ее пород; граничные скорости или упругие модули; показатели трещиноватости и разрывные нарушения.

В пределах одного литолого-генетического комплекса могут строиться погоризонтные карты, отражающие изменения геофизических параметров с глубиной (граничные скорости, упругие модули, удельные электрические сопротивления, , и др.).

При строительстве гидротехнических сооружений геофизические исследования, как правило, имеют специализированный характер и в настоящем руководстве не рассматриваются.

При проектировании объектов гидромелиоративного строительства разрабатывается проект электрохимической защиты трубопроводов, подземных коммуникаций и скважин.

Разработка проекта осуществляется одновременно и равностадийно с проектированием объекта (39, 98, 100).

Основными факторами, определяющими интенсивность развития коррозионных процессов, являются: структура и гранулометрический состав почвогрунтов, количество и состав солей в поровой влаге и грунтовых водах, воздухопроводимость, концентрация водородных ионов и окислительно-восстановительные потенциалы грунта, удельное электрическое сопротивление грунта, блуждающие токи, воздействие микроорганизмов (биокоррозия) и др.

В процессе исследований по трассам металлических трубопроводов выполняются следующие работы:

1. а) определение наличия блуждающих токов в земле;

2. б) измерение удельного электрического сопротивления грунтов.

Наличие блуждающих токов в земле определяется с помощью измерений разности потенциалов между двумя точками земли по двум взаимно перпендикулярным направлениям (либо между проложенными в данном районе подземными металлическими сооружениями и землей) при разносе измерительных электродов на 100 м.

В каждой точке наблюдение показания прибора снимаются через каждые 5-10 с в течение 10-15 мин. Если разность потенциалов изменяется по величине и знаку или только по величине, то это указывает на наличие в земле блуждающих токов. По трассам трубопроводов точки наблюдений располагаются через 1000 м, а также в местах пересечения трассами источников блуждающих токов (силовые кабели, электрофицированные железные дороги и т.п.). В качестве измерительных электродов применяются неполяризующиеся электроды.

Удельное электрическое сопротивление грунтов используется для определения коррозионной активности грунтов, выбора мест установки и типа анодных заземлителей и протекторов.

Электросопротивление грунта на глубине заложения трубопровода или анодного заземлителя определяется по данным ВЭЗ и ЭП. Если в процессе площадных электроразведочных работ, выполненных для обоснования инженерно-геологических съемок и других целей, установлено, что кажущееся удельное электрическое сопротивление, характеризующее породы на глубине заложения трубопровода, близко к истинному значению (находится в пределах интервалов сопротивлений различной коррозионной активности грунтов по табл.5), считается допустимым принимать , определенное с оптимальным разносом за истинное у.э.с.

Таблица 5*

_________________

* Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

Величину разноса питающей линии для ЭП обычно принимают равным 36, - глубина заложения трубопровода (в каждом конкретном случае разнос питающей линии уточняется по данным ВЭЗ).

При измерении сопротивлений грунта приборами МС-07, МС-08, М-406, M-416 и УКИП-73 расстояния между электродами принимаются одинаковыми () и равными .

Расчет сопротивления грунта производится по формуле

,

     
где - расстояние между электродами, м;

- измеренная по прибору величина сопротивления.

Измерение у.э.с. грунтов в полевых условиях производят по всей проектируемой трассе трубопровода через каждые 100 м. При расхождении замеров между двумя соседними точками в 10 и более раз, проводятся детализационные замеры через 25 м. На участках трасс с однородным литологическим составом пород разреза (устанавливается по данным ВЭЗ и ЭП площадных исследований) расстояние между точками измерения может достигать 250 м.

Разнос линии должен производиться вдоль оси трассы проектируемого трубопровода, а для уложенного в землю - параллельно последнему в 2-4 м от него.

В местах создания станций катодной защиты питающие электроды устанавливаются между трубопроводом и предполагаемым местом установки анодного заземления (количество и расстояние между точками измерения определяются проектировщиком).

Для осуществления катодной защиты промысловых коммуникаций и скважин необходимо знать геологический разрез с данными БКЗ.

Коррозионная активность грунтов к углеродистой стали и чугуну оценивается с учетом факторов, приведенных в табл.5.

Потеря массы опытного образца в грунтах за 24 часа определяется в результате лабораторных испытаний.

Содержание гумусовых веществ в процентах к массе грунта (почвы) устанавливается в результате лабораторных анализов проб грунта.

Для определения коррозионной активности грунтов по поляризующим кривым пробу почвогрунта помещают в фарфоровый стакан емкостью в 1 л. В стакан помещают два электрода, которые представляют собой стальные прямоугольные пластины 25x25 мм с припаянными контактными проводами. Пластины со стороны контакта изолируются битумом, а обратная сторона тщательно зачищается корундовой шкуркой и обезжиривается ацетоном. Пластины располагают параллельно неизолированными сторонами друг к другу и подключают к полюсам источника постоянного тока.

Измерения разности потенциалов между электродами производят в момент разрыва поляризующей цепи при различных плотностях тока (плотность тока равна измеренной силе тока , деленной на 25 см).

На основании полученных данных строят график зависимости разности потенциалов (в момент разрыва цепи) от плотности тока . По оси абсцисс откладывают значения плотности тока, по оси ординат - измеренную в момент разрыва цепи разность потенциалов.

По графику определяют плотность тока, соответствующего разности потенциалов 0,5 В, и по таблице определяют коррозионную активность грунта.

Коррозионная активность почвогрунтов должна приниматься по минимальным значениям у.э.с. грунта, соответствующим периодам наибольшей влажности почвогрунтов того или иного района.

Результаты измерений сопротивлений почвогрунтов, произведенные в засушливый период года, рекомендуется пересчитывать по формуле

,

где - коэффициент приведения к периоду наибольшей влажности.

Значения коэффициентов пересчета приведены в табл.6.

Таблица 6

В период дождливой и сырой погоды введение поправочных коэффициентов не обязательно.

При проектировании мероприятий по защите трубопровода от коррозии принимается наиболее высокая коррозионная активность из определенных одновременно различными методами.

Рис.23. Номограмма для корректировки результатов измерения влажности влагомером ВГПР-1 на глубинах 10, 15, 20 м (по данным ВНИИГиМ)

В отдельных случаях возможно уточнение номограммы путем параллельных измерений на глубинах 10, 15, 20 см в поверхностном и глубинном варианте. При этом эффективным является использование экранирующего материала для нейтронов (органическое стекло, например).

Схема размещения скважин в плане дана на рис.24. На обсадную трубу надевается специальный шаблон-кондуктор, обеспечивающий постоянство базового расстояния между скважинами (8 см).

Рис.24.

а) Шаблон для проходки параллельных скважин

1 - станина, 2 - кондуктор, 3 - направляющие патрубок, 4 - бур, 5 - втулка, 6 - скважина

б) Схема размещения скважин в плане

1 - центральная скважина диаметром 50 мм, 2, 3, 4 - скважины диаметром 40 мм

Шаг измерений по скважине составляет 10 см до глубин 1 м 20 см до глубины 2 м и 50 см - глубже 2 м.

При измерениях следует точно установить зонд прибора по глубине.

С этой целью на кабеле должны быть нанесены жестко фиксированные метки через 10-20 см.

Необходимо отметить, что влагомеры ВПГР-1 поставляются с градуированными графиками, применительно к следующим объемным массам.

Погрешности в определении влажности за счет изменения объемной массы скелета и замены алюминиевых обсадных труб на стальные могут достигать значительных величин, поэтому необходимо получение серии градуированных графиков для характерных значений объемной массы скелета.

При измерении объемной массы плотномером ППГР-1 (также предусматриваются два варианта - поверхностный и глубинный (рис.25). Из сопоставления вариантов измерений рекомендуется глубинный вариант (с глубин 0,10 м) с использованием тарировочного графика для глубинных измерений. При этом погрешность определения объемной массы не превышает 0,05 г/см.

Рис.25. Принцип измерения плотности почвогрунтов

1 - КТУ,

2 - источник, 3 - штырь, 4 - кабель, 5 - датчик, 6 - пересчетное устройство, 7 - почвогрунты

Радиоизотопные определения объемной массы следует сопровождать радиометрическими измерениями естественной радиоактивности (гамма-фона) грунта.

Существующая методика определений полной и наименьшей влагоемкости имеет ряд недостатков:

• трудоемкость работ: необходимость проходки шурфов, отбор проб, упаковка их, перевозка проб в лабораторию и т.д.

Отбор проб по разрезу производится дважды - до полива и после полива через 10 см в 3-кратной повторности;

трудность в оценке необходимого количества воды для залива площадки, что ведет часто к излишнему ее расходованию;

определение влажности и объемной массы термостатно-весовым и объемно-весовым методом не обеспечивает чистоты опыта, т.к. отбор проб производится в разных объемах;

конструкция и техническое состояние устройств для извлечения проб, а также индивидуальные особенности выполнения исполнителями ручных операций влияют на точность результатов, т.к. происходит нарушение естественного сложения почвогрунтов;

отрицательное воздействие на природу - нарушение в большом объеме почвенного покрова.

На основании результатов лабораторного моделирования и большого числа натурных измерений рекомендуется следующая методика определения вышеназванных параметров:

• проходка скважин глубиной до 1-2 м, диаметром несколько меньшим (на 1-2 см) диаметра обсадных труб;

• принудительная посадка обсадных труб (с конусным наконечником) методом задавливания или забивания;

• установка металлической рамы размером 50x50 см соосно со скважиной (рама забивается в грунт на глубину 5-10 см и обваловывается грунтом);

• измерение исходных значений влажности и объемной массы приборами ВПГР-1 и ППГР-1;

• подача воды в раму и замеры влажности на глубинах 10, 20, 30, 40 см и т.д. на шкале отсчета прибора "10 с";

• измерения осуществляются при столбе воды в раме, равным 5 см.

Стабилизация значений влажности на фиксированных глубинах измерения (при наличии в раме воды) указывает на состояние влаги, близкое к полевой влагоемкости (ПВ).

В процессе измерений необходимо постоянно контролировать влажность почвогрунтов на забое скважины. Если будет замечено увеличение влажности в первые 5-10 минут опыта, то последний необходимо прекратить и забраковать данные измерений. Это объясняется плохой герметизацией зазора между стенками скважины и трубой.

После насыщения грунта водой до состояния ПВ рама покрывается полиэтиленовой пленкой или другим материалом, предохраняющим почву от испарения.

Для определения по графику влажности времени и характерных точек, соответствующих переходу от ПВ к наименьшей влагоемкости (НВ) и влажности разрыва капиллярной каймы (ВРК), проводятся опытно-экспериментальные работы с привлечением традиционных методов определения влажности. Работы выполняются для каждого типа разреза почвогрунтов в 1-3 точках.

Знание величин НВ и ВРК по площади массива позволит рассчитать поливные нормы и построить карты их распределения.

В точках получения эталонных разрезов влажности, одновременно с измерениями влажности, производятся микро-ВЭЗ, по которым устанавливаются кривые ВЭЗ, соответствующие НВ и ВРК для слоев разреза, слагающих зону активного влагообмена (85).

По данным микро-ВЭЗ и влагометрии строятся индивидуальные графики или корреляционные связи типа или (для характерных точек, соответствующих доминирующим слоям), которые могут использоваться при построении карт влажности.

Аналогичным путем могут быть получены зависимости между и объемным весом () слоев и грунтов.

К основным фильтрационным характеристикам почвогрунтов относятся скорость впитывания влаги в почву () и коэффициент фильтрации ().

Измерения и по фронту увлажнения почвогрунтов влагомером ВПГР-1 выполняются по методике, аналогичной для определения ПВ.

Измерения осуществляются при непрерывном перемещении зонда прибора по скважине с фиксацией времени замера. В итоге получаются графики изменения влажности во времени для конкретной глубины.

По такому графику возможно определить скорость впитывания для любого слоя профиля в любой момент времени после начала подачи воды. Точка перегиба графика указывает на начало процесса фильтрации. В этой точке

.                                                                 (113)

Возрастание влажности на графике в виде ломаной линии указывает на процесс вытеснения защемленного воздуха.

Для расчета коэффициента фильтрации (вертикальная составляющая) может использоваться эмпирическая формула

,                                                            (114)

     
где - скорость движения фронта гравитационной влажности, м/сут,

- активная влажность грунта, %.

На основе данных традиционных методов уточняются разрезы почвогрунтов и выполняются окончательные интерпретации микро-ВЭЗ.

Данные микро-ВЭЗ и радиоизотопных методов подлежат статистической обработке (см. раздел 2), в результате которой составляются выборки и гистограммы распределений для каждого доминирующего слоя. Точки изучения разреза почвогрунтов традиционными методами в пределах поля распространения разреза определенного типа задаются с учетом гистограмм распределений (в области "моды", минимальных и максимальных значений).

Статистическая обработка материалов геофизических исследований и данных, полученных традиционными методами, позволяет установить между ними корреляционные связи.

Естественная радиоактивность грунтов и содержание в них глинистых фракций определяется зависимостью вида , где - глинистость (в %), - интенсивность гамма-фона (в мкр/ч).

Знание влажности и объемной массы позволяет по расчетным формулам и корреляционным зависимостям получить следующие водно-физические характеристики: пористость, пластичность, объемную массу скелета, объем защемленного воздуха, скорость впитывания и коэффициент фильтрации, поливные нормы и др.

Для оценки величины влажности устойчивого завядания для почв тяжелого механического состава возможно использовать формулу Мичурина Б.Н.

,                                                            (115)

     
где - объемная масса скелета;

- минералогическая плотность.

Знание удельных электрических сопротивлений почв и грунтов обеспечивает возможность построения корреляционных связей с общей засоленностью почвогрунтов зоны аэрации и минерализацией подземных вод, а также с водно-физическими свойствами грунтов.

Данные геофизических исследований используются при составлении почвенно-мелиоративной карты, карт засоления почв и общей минерализации подземных вод и др.

Применение геофизических исследований при проведении почвенно-мелиоративных съемок более крупных масштабов предусматриваются программами по почвенным изысканиям.

Геофизические данные, полученные на всех стадиях изучения массивов мелиорации земель, должны в обязательном порядке храниться как эталонные, на основе которых можно осуществить объемный анализ воздействия мелиорации на окружающую среду и дать оценку соответствия прогнозных решений фактическому изменению среды за период эксплуатации массива.

Таблица 7

     
Рекомендуемые объемы геофизических исследований на массивах мелиорации и участках сооружений

(к проекту)

Тип кривой	Ом·м	Ом·м	Интервалы глубин	Глубина геологических границ			в м соотв. точки излома
				литоло- гических	УГВ	минерализ. и засоления
КН	5	45	0-1,15	0,2			0,4	0,5
			1,15-2,65		1,7		2,1	0,81
			2,65-6,1			3,5	5,0	0,70

1. Способы, раскрывающие общее качественное представление о геоэлектрическом разрезе как по площади, так и на разных эффективных глубинах (разрезы кажущихся сопротивлений, кажущихся проводимостей, карты типов кривых).

2. Способы, основанные на прослеживании и анализе отдельных частей геоэлектрического разреза по характерным точкам и участкам наблюденных кривых ВЭЗ (карты абсцисс и ординат экстремальных точек , равных значений кажущихся сопротивлений для отдельных разносов, углов наклона правых асимптом суммарной продольной проводимости и т.п.).

3. Способы, основанные на анализе дифференциальных эффективных параметров (разрезы дифференциальных кажущихся сопротивлений, разрезы нормированных производных и т.п.).

В целях повышения эффективности качественной интерпретации следует использовать алгоритм и программу комплексной качественной интерпретации результатов ВЭЗ с помощью ЭВМ (программа "Изолиния" Пермского государственного университета).

Алгоритм качественной интерпретации включает следующие операции:

1. 1. Ввод исходных данных.

2. 2. Редакция исходных данных.

3. 3. Анализ и устранение перекрытий отрезков кривой ВЭЗ.

4. 4. Интерполяция кажущихся сопротивлений по схеме Эйткена.

5. 5. Регуляризация значений .

6. 6. Вычисление интерпретационных параметров:

   1. а) кажущихся сопротивлений;

   2. б) кажущихся проводимостей;

   3. в) продольных дифференциальных кажущихся сопротивлений;

   4. г) поперечных дифференциальных кажущихся сопротивлений;

   5. д) средних геометрических кажущихся сопротивлений;

   6. е) коэффициентов "кажущейся" анизотропии;

   7. ж) "полных" вертикальных нормированных производных кажущихся сопротивлений;

   8. з) суммарной продольной проводимости и среднего удельного сопротивления опорного горизонта .

7. 7. Построение разрезов качественных параметров.

8. 8. Построение карт.

В результате первичной обработки исходных данных (фондовых и вновь полученных) и их качественной интерпретации для исследуемой площади выделяются участки однотипных разрезов с залеганием слоев, близким к горизонтальному; участки смены типа разреза; участки, содержащие неоднородности (разрывные нарушения, резкие изменения состава отложений в верхней части разреза и др.); участки со значительными отклонениями от горизонтально-слоистой среды.

Количественная интерпретация данных ВЭЗ на ЭВМ выполняется для участков с однотипными разрезами и залеганием слоев, близким к горизонтальному. Вся совокупность данных по исследуемому участку делится на два класса: класс поисковых пунктов, в которых известны лишь наблюденные значения, и класс параметрических пунктов, в которых задана с некоторой известной точностью дополнительная информация о разрезе. В качестве дополнительной информации используются мощности и глубины залегания отдельных горизонтов, определяемые по данным бурения, сейсморазведки и других источников, а также электрические сопротивления, определяемые по электрокаротажу и параметрическим ВЭЗ.

Данные электрокаротажа используются для детального анализа геоэлектрического разреза, привязки результатов зондирования к известным стратиграфическим горизонтам и построения синтетических кривых ВЭЗ.

В опорных точках первоначально производится палеточная интерпретация параметрических ВЭЗ. Параметры опорных разрезов используются при решении прямой задачи для параметрических ВЭЗ и создании математической модели экспериментальных кривых ВЭЗ каждого типа разреза.

В случае расхождений теоретической и экспериментальной кривых ВЭЗ, превышающих допустимые (5%), параметры разреза, подлежат дополнительной корреляции.

Расчет прямой задачи может выполняться по программе ФОРТРАН IV, ДОС/EC.

Программа предназначена для расчета кривых кажущегося сопротивления для установки Шлюмберже методом сверки трансформанты кажущегося сопротивления . Максимальное число слоев в разрезе - 15. Значения функции и кажущегося сопротивления рассчитываются для 50 разносов в интервале от 1 до 79433 м с шагом, обеспечивающим получение десяти значений на декаду билогарифмического бланка.

В качестве исходных данных задаются число слоев и параметры слоев (сопротивления и мощности).

Сбои в работе программы возможны только в том случае, если имеются ошибки в исходных данных: количество параметров не соответствует числу слоев, значения параметров не положительны и т.п. После расчета всех кривых печатается сообщение об ошибке. Это вызвано тем обстоятельством, что в программе предусматривается расчет неограниченного количества кривых, в то время как исходные данные задаются всегда для конечного числа кривых.

На следующем этапе кривые ВЭЗ разбиваются на группы с однотипными разрезами, характеризующиеся сравнительной однородностью, с учетом их площадного распространения, и решается обратная задача интерпретации ВЭЗ на ЭВМ.

Обратная задача ВЭЗ состоит в определении параметров геоэлектрического разреза по наблюденной кривой , где - полуразнос питающих электродов.

Степень неоднозначности решения обратной задачи регулируется путем привлечения дополнительной информации о геоэлектрическом и геологическом строении исследуемого разреза. С этой целью для каждого типа разреза стратиграфо-генетического комплекса используется интерпретационная модель, которая включает сведения о примерном числе геоэлектрических горизонтов в разрезе, возможном выклинивании некоторых из них, о наличии и приблизительном местоположении опорных геоэлектрических границ, примерной величине параметров слоев и их соотношениях для каждого слоя (минимальные - максимальные ограничения).

В процессе количественной интерпретации все эти приблизительные представления уточняются и наполняются конкретным содержанием.

Для каждого типа разреза задается постоянное число слоев в разрезе, что является достаточно грубым приближением к реальности. В процессе интерпретации число слоев может регулироваться. В случае выклинивания отдельных слоев их мощность задается от 0 до её максимальных значений.

Алгоритм количественной интерпретации содержит следующую последовательность операций:

Рис.27. Номограмма для вычисления поправок при определении мощностей слоев по значениям критических расстояний для пятислойной среды

В случаях, когда форма наблюденного годографа сильно искажена за счет поверхностных неоднородностей и рельефа, производится исправление его формы путем использования графика разности времен между парой нагоняющих годографов. По графику разности или исправленному годографу уточняются координаты точек пересечения и определяются скорости в пластах (88).

Для построения преломляющей границы любой формы в интервале встречных годографов необходимо найти величину в каждой точке стояния сейсмоприемников. Для определения используется следующее выражение:

,                                                     (123)

где и - времена по встречным годографам в точке профиля; - взаимное время.

Граничная скорость вдоль преломляющей границы находится путем обработки встречных годографов способом "разностного годографа" из выражения

.                                              (124)

Скорость, определенная по наклону разностного годографа , связана с граничной скоростью следующим соотношением:

.                                                (125)

Если на интервале определения наклон преломляющей границы не превышает 15°, то граничная скорость определяется с ошибкой, не превышавшей 3,5%.

Для неоднородных сред, характеризующихся плавным возрастанием скоростей от дневной поверхности вглубь разреза, скорости и глубины проникновения соответствующих лучей рефрагированных волн определяются по способу Кондратьева (88) или способам, рассмотренным в работе (46).

Примеры определения положения наклонных границ по годографам симметричных точечных зондирований и встречным годографам даны на рис.28 и 29.

м/с

м

Рис.28. Определение положения наклонной границы по годографам из одной точки

Встречные годографы

м/с

;   ;   

м;    м

Рис.29. Определение положения наклонной границы по встречным годографам

Примеры определения положения вогнутой преломляющей границы, положения и высоты преломляющей ступени по встречным годографам и расчеты скоростного разреза по способу пластовых скоростей даны на рис.30-33.

;   ;   

Рис.30. Определение положения вогнутой преломляющей границы по встречным годографам (с построением разностного годографа и линии )

Рис.31. Определение положения наклонных границ в трехслойной среде по встречным годографам

м

м

     
м

Рис.32. Определение положения вогнутой преломляющей границы по встречным годографам (с построением разностного годографа и линии )

  м/с

м/с

c

м

м/с

Директор СОИЗИ	В.Б.Ядков
Главный инженер	И.Г.Хорст
Главный геофизик проекта	О.В.Стихов

91*. Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля, 2-е изд., переработ. и доп. Л., "Недра", 1974.

_________________

* Нумерация соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.