6.1 Принципы комплексной интерпретации

Выше (см. лекцию 4) отмечалось, что под количественной интерпретацией результатов геофизических работ понимают составление на основе этих результатов геолого-гидрогеологических карт и разрезов в соответствии с методическими требованиями. Такая интерпретация основана на использовании корреляционных эмпирических зависимостей между геофизическими параметрами и водно-физическими свойствами. Эта работа является комплексной интерпретацией, решаемой на основе комплексирования геофизических методов.

6.1.1 Группы опорных и прогнозных параметров, их взаимосвязи

Перед выполнением комплексной интерпретации на основе геофизических наблюдений в опорных точках площади и на опорных (параметрических скважинах) производится подбор опорных и прогнозных параметров. Далее выполняется процедура интерпретации, включающая два этапа.

Первый этап – расчленение разрезов и прослеживание выделенных слоёв по площади с их детальным расчленением. На этом этапе основные данные получает от электроразведки, сейсморазведки и ГИС. При интерпретации результатов сейсморазведки удаётся выделить до четырёх-шести слоёв и до семи-пятнадцати слоёв по кривым электрических зондирований и ГИС. При этом оперируют всего нескольким геофизическими параметрами – УЭС, поляризуемостью, интенсивностью гамма-излучения (при каротаже) и скоростью продольных волн. Каждому выделенному слою приписывается оптимальные значения этих параметров, принимая эти слои за опорные группы. Но каждый слой может быть охарактеризован одновременно множеством водно-физических параметров, которые становятся объектом работы второго этапа интерпретации – прогнозирования их по геофизическим параметрам.

Приступая к интерпретации, интерпретатор, как правило, имеет всего несколько геофизических параметров, а для решения гидрогеологических и/или инженерно-геологических задач, нам требуется определить значительное количество водно-физических параметров. По данным Е.М. Сергеева горная порода. Как активная динамическая система характеризуется 140 параметрами. Только влажность описывается 13-ю параметрами, пористость – 14-ю, а воды можно выделить до 19 видов. Применение геофизических методов позволяло оценивать четыре-шесть. Исследования Д.Л. Галина [5] позволили ввести «в оборот» значительно большее количество оцениваемых водно-физических параметров. Автор исходил из того, что такие параметры пород как пористость, дисперсность, влагосодержание, структурная связанность частиц, минерализация содержащихся в породе вод хорошо определяются с помощью геофизических данных.

Пористость - n. Пористость – отношение объёма пустот (пор) ко всему объёму горной породы и выражается в процентах или долях единицы. Различают общую пористость, трещиноватую, кавернозную. При отсутствии замкнутых пор, общая пористость определяет влагоёмкость породы – W_n. W_n ≤ n. Равенство соблюдается при полном насыщении всех видов пор водой.

Дисперсность – показатель неоднородности породы и характеризуется эффективным диаметром частиц породы d₀ или удельной поверхностью частиц – ν, удельным сопротивлением – ρ_сл и мощностью слоя – z_сл..

Влагосодержание - процентное или долевое содержание влаги различных форм в породе. Различают воды связные – W_м и свободные – μ.

Прочносвязные воды подразделяются на прочносвязные - W_мh или адсорбированные и рыхлосвязные – W^I_мh или капиллярные и осмотические. . Свободные воды подразделяют на иммобилизованные – μ-μ._г и гравитационные - μ._г. Каждый из перечисленных видов воды характеризуются специфическими свойствами. Например, плотность прочносвязной воды достигает 1,84 г/см³, температура замерзания – до -30 -50^оС, диэлектрическая проницаемость снижается до 2-4 (у свободной воды – 81 – наивысшая). Обычно общее содержание (в долях единицы) прочносвязной воды характеризуют максимальной гигроскопической влажностью породы - W_мh. Рыхлосвязная вода образуется при капиллярной конденсации и осмотических процессах. Она расположена выше УГВ и может быть соединена со свободной водой, а может – и нет. Капиллярная вода, подобно свободной (гравитационной) может свободно перемещаться, передавать гидростатическое давление, но в то же время, по ряду свойств близка к связной. В частности, замерзает при температурах -15 - -12^оС. Появление осмотической воды вызвано различием в концентрации ионов, находящихся в поровом растворе вблизи частиц пород. Осмотическая вода слабо связана с поверхностью частиц, её плотность приближается к плотности свободной воды, а температура замерзания близка к -1,5 ^оС. Объём свободной воды (динамическая пористость или водоотдача) выражают в долях единицы. Динамическую пористость подразделяют (см. выше) на иммобилизационную μ и гравитационную μ._г. Иммобилизационная вода находится в замкнутых порах и свободна к движению лишь при усилиях, превышающих силу гравитации, например, при возбуждении пласта водозаборными скважинами. Гравитационная вода способна перемещаться в поле гравитационных сил.

Максимально возможное содержание в породе связной (всех видов) и свободной воды характеризуется полной влагоёмкостью W_n. Причём W_n.≤ n. С учётом сказанного, автор составил уравнения, связывающие различные составляющие жидкой компоненты рыхлой породы при полном её водонасыщении:

W_n = W_м + μ (6.1)

W_м = W_{м h} + W^’_м , (6.2)

n₀ = n - W_{м h} = W_n - W_{м h} = μ + W_{м h}. (6.3)

Здесь n₀ – статическая (активная) пористость, выраженная в долях единицы.

Структурная связанность частиц влияет на прочностные свойства породы. Для её характеристики применяется коэффициент крепости - f_кр и коэффициент упругости – β^*. Величина f_кр определяется количеством работы, необходимой для разрушения единицы объёма породы и равно 10^-7σ_сж, Где σ_сж, (в Н*м²) – величина временного сопротивления породы на одноосное сжатие. По величине f_кр выделяют пятнадцать градаций пород, отражающих условия их буримости и устойчивости в горных выработках. Параметр β^* характеризует упругий режим водонасыщенных пород. Он численно равен количеству жидкости, вытекающей из единичного объёма породы при повышении внешнего давления на один метр водяного столба.

Увеличение структурной связанности частиц породы сопровождается ростом f_кр, уменьшением β^*, усложнением строения порового пространства.

Минерализация М характеризует суммарное содержание растворимых солей в породе и косвенно определяется по удельному электрическому сопротивлению свободной влаги ρ_В.

Установлено, что колебание температуры на 1^оС меняет УЭС воды на 2%. Поэтому для большинства районов с геотермической ступенью более 50-70 м/^оС поправки за температуру в процессе инженерно-геофизических прогнозов не вводятся. Исключаются поправки и за изменение горного давления, которые в интервале глубин 5-150 м незначительны.

Таким образом, основными параметрами прогнозной группы могут быть приняты следующие: для оценки пористости n_0, n_м, n_к и n_т; для оценки ёмкостных свойств – n₀, μ, μ_г, W_e, W, W_м, W^I_м; для оценки водонасыщенности – k_в – коэффициент водонсыщенности и ω_и – дефицит водонасыщенности; для оценки гидрохимии подземных вод – ρ_в, М; для оценки структурной связанности частиц и упругого режима водонасыщенных пород - f_кр и β^*.

Как видно, число параметров, подлежащих прогнозу, существенно превышает число опорных геофизических параметров. Д.Л. Галин, на основе корреляционного анализа составил и решил системы расчётных уравнений для определения большого числа водно-физических параметров по минимальному набору геофизических параметров (Галин Д.Л., 1989, с.31-36, табл. 5). По этим уравнениям автор построил номограммы (см. там же, Приложение 2), позволяющие находить искомые показатели геологической среды.

ПРИМЕЧАНИЕ. Номограммы приводятся в презентации к лекции.

Поясним работу с номограммами. Например, в левой части номограммы 2 приведены масштабные оси, указывающие параметры ρ, ρ_в, I_γ, W^*, μ/n₀, и в зависимости от набора фильтрационных параметров возможны следующие варианты расчётов: ρ. I_γ, W^*→ ρ_в; ρ. I_γ, ρ_в → W^*; ρ, I_γ, μ/n₀→ ρ_в; ρ, μ/n₀, ρ_в → W^*. В соответствии с формой записи слева от стрелки указываются опорные, справа – прогнозные параметры.