§ 24. Электроразведка

Геофизические методы используют для изучения строения Земли, для поисков и разведки полезных ископаемых, для геологического картирования, при инженерно-геологических изысканиях различных сооружений. Эти методы позволяют определить и разделить напластования скальных глинистых и сыпучих пород, обнаружить карстовые полости и плоскости скольжения оползней, установить трещиноватость пород и уровень грунтовых вод, глубину залегания вечной мерзлоты и многое другое. В сочетании с разведочными рабо­тами геофизические методы позволяют значительно сократить объем буровых и горнопроходческих работ и уточнить геологический раз­рез (рис. 26).

Электроразведка основывается на изучении условий прохождения электрического тока в различных грунтах. При этом используются либо естественные, либо искусственные электрические

поля.

Постоянные естественные элек­трические поля возникают в грун­тах в силу естественных природ­ных процессов, поскольку грунт с содержащимися в нем минералами и солевыми растворами является электролитическим источни­ком тока. Переменные естественные электрические поля возбужда­ются в грунтах Солнцем.

Искусственные электрические поля создаются пропусканием постоянного или переменного тока через два забитых в грунт зазе­мления. Если в точке А (рис. 27) заземлен один питающий электрод, а в точке В — другой, то в точке М возникнут два противоположных по знаку потенциала:

в точке М от электрода А

в точке М от электрода В

Общий потенциал в точке М от двух электродов будет равен

Рассуждая аналогично, можно для точки N записать

Разность потенциалов между точками М и N равна

Практическая реализация этой формулы сводится к тому, что по известному значению силы тока /, расстоянию между электро­дами и измеренной разности потенциалов можно найти удельное сопротивление р грунта, т. е.

где К — коэффициент, зависящий от взаимного расположения электродов А, В, М, N и равный

В формуле (1) К — выражается в метрах; — в омах на метр, = 3,14.

Удельное электрическое сопротивленце грунтов зависит от лито-логического состава, структуры, степени пористости и трещиноватости, от содержания в порах воды и ее минерализации. Удельное сопротивление грунтов колеблется в довольно широких пределах, например, у известняков оно равно 500—1000 ом-м, у глин — 5— 60 ом-м.

Если измерения ведутся в однородной среде (грунте), то получен­ное сопротивление получается истинным. В реальных условиях при­ходится иметь дело с грунтами неоднородными, сложной конфигу­рации. Измеряемое сопротивление оказывается отличным от истин­ного; такое сопротивление называют кажущимся .

Для интерпретации результатов сравнивают характер получен­ных кривых изменения с характером кривых , рассчитанных теоретически. На основе этого сравнения можно установить гра­ницы и форму отдельных геологических объектов, если они имеют заметно разные электрические сопротивления. К сожалению, реше­ние такой задачи часто оказывается неоднозначным в силу того, что удельное сопротивление одних и тех же пород подвержено зна­чительным колебаниям в зависимости не столько от минерального состава, сколько от степени обводненности и солевого состава нахо­дящихся в грунте вод.

Существует несколько методов электроразведки. Рассмотрим наиболее часто применяемый при инженерных изысканиях — метод сопротивлений.

В состав установки, показанной на рис. 28, входят следующие элементы: А и В — питающие электроды — металлические штыри, забиваемые в грунт и подключенные к батарее сухих элементов; М и N — приемные электроды с включенным в их цепь потенциомет­ром ; О — центр зондирования. Расстояние между точками А и В называют разносом электродов. При включенной установке большая часть тока, идущего от электрода А к электроду Б, располагается в верхней части разреза; практически считается, что по методу со­противлений можно выявить объекты, находящиеся на глубине не более 1/3 АВ. Поэтому для пропускания тока через более глубоко-лежащие слои грунта необходимо увеличивать разнос электродов. В производственных условиях метод сопротивлений применяется в двух вариантах: как метод вертикального электрозондирования (ВЭЗ) и как метод электропрофилирования.

Метод ВЭЗ заключается в определении при последовательно увеличиваемых разносах (а следовательно, и увеличивающейся глубине проникновения тока) питающих электродов А, В и неизмен­ном положении центра зондирования О. На основании этих измере­ний можно построить кривую ВЭЗ, как функцию разноса АВ (точ­нее — полуразноса ). Например, для двухслойного горизонталь­ного разреза, у которого , кривая ВЭЗ будет иметь вид, показанный на рис. 29.

При малых разносах на графике это участок прямой; по мере увеличения разноса ток начинает проникать во второй пласт пород и р_к постепенно растет, пока не достигает ; влияние верхнего пласта при этом мало сказывается. Полученную таким образом кривую ВЭЗ сравнивают с теоретическими кривыми и, подобрав наиболее подходящую, дают инженерно-геологическую интерпре­тацию разрезу. При наличии двухслойного разреза геологическая интерпретация делается достаточно уверенно, если же разрез много­слойный, задача существенно усложняется и теряет однозначность, т.е. вступает в силу принцип эквивалентности, когда над различными геологическими разрезами могут быть одинаковые кривые ВЭЗ. В таких случаях определить характер разреза можно только на основе данных контрольных буровых скважин.

Вертикальное электрозондирование ведется по заранее наме­ченным профилям или сетке квадратов. Густота точек на участке зависит от требуемой детальности исследований. Расстояния между профилями, в зависимости от размеров участка, назначают рав­ными 50, 100 и даже 200 м; при более высокой детальности расстоя­ния уменьшают до 30, 20, 10 м. Расстояния между точками на про­филе (шаг профиля) не должны быть более 20 м. Расстояние между приемными электродами МN обычно назначают равным или крат­ным шагу профиля.

При использовании метода электропрофилирования размеры установки, т. е. разнос электродов, сохраняются неизменными,

но вся установка последовательно перемещается на величину МN (рис. 30). Двигаясь по намеченному профилю, определяют удельные сопротивления и приписывают их точкам О. Всякое заметное изменение подтверждает проникновение тока в новый пласт и тем самым возможность получения глубины и профиля границы раздела пластов. Для уточнения результатов наблюдений измерения для одного и того же профиля выполняют при двух, а иногда и трех разносах.

Методы электроразведки используют для изучения рельефа и глубины залегания коренных пород и поверхностных отложений, для расчленения пород с разным литологическим составом, для выявления интрузивных тел, тектонических нарушений, для оконтуривания грунтовых и подземных вод, исследования оползней и др.

Геодезические работы при электроразведке сводятся к разбивке на местности профиля или системы параллельных профилей, к обозначению и закреплению на профиле точек установки АМNВ и точки О.

В зависимости от местных условий, требуемой точности и деталь- ыостй исследований при разбивке применяют различные геодезиче­ские методы. В конечном итоге профили с находящимися на них точками наблюдений должны быть привязаны к геодезической основе, т. е. определены их координаты й высоты и вся система профилей нанесена на отчетную геологическую карту.

Вопрос о точности геодезических работ при электроразведке, как впрочем й при других геофизических методах, еще нуждается в доработке и уточнениях. А. С. Лавриков [26] в вопросе точности геодезических работ исходит из основной формулы метода электро­разведки и требований Инструкции по электроразведке [17], в кото­рой говорится о том, что разность между основным и повторным (контрольным) определением не должна превышать 5 % (предель­ная ошибка) от величины измеренного сопротивления. Тем самым можно принять, что средняя квадратическая ошибка одного измере­ния будет равна

Дифференцируя уравнение (1) и переходя к ошибкам, получаем

Исходя из принципа равного влияния входящих ошибок, можно найти ошибку т_к определения коэффициента установки К

т. е. коэффициент установки следует определять со средней квадратической ошибкой 1 % или с относительной ошибкой 1 : 100. Столь невысокая точность не требует применения специальных средств, поэтому измерения расстояний производят предварительно разме­ченными проводами установки.

Положение отдельного профиля или системы профилей электро­разведки должно наноситься на отчетную карту; при этом ошибка в положении наиболее удаленной точки профиля по отношению к начальной (исходной на данном участке) не должна превышать 2 мм на карте. Высоты точек профиля достаточно определять с ошиб­кой порядка 2% от глубины залегания опорного горизонта; в ка­честве опорного электрического горизонта можно принять любой, но обычно за опорный принимают последний из нужных для оценки на данном участке. При гидрогеологических исследованиях за опорный принимают водоупорный горизонт.