Геофизические исследования
Инженерная геофизика является в настоящее время одним из самостоятельных разделов разведочной геофизики.
В практике инженерных изысканий геофизическим методами решаются задачи (СП 11-105-97):
- определение состава и мощности рыхлых четвертичных (или более древних) отложений;
- выявление литологического строения массива горных пород, тектонических нарушений, а также зон повышенной трещиноватости и обводненности;
- определение глубины залегания уровней подземных вод, водоупоров и направление потоков подземных вод, гидрогеологических параметров грунтов и водоносных горизонтов;
- определение состава, состояния и свойств грунтов в массиве и их изменений;
- проведение мониторинга опасных геологических и гидрогеологических процессов;
- сейсмическое микрорайонирование территории.
Выбор методов геофизических исследований (основных и вспомогательных) и их комплексирование производится в зависимости от решаемых задач и конкретных инженерно-геологических условий.
Наиболее эффективно геофизические методы используются при изучении неоднородных геологических тел, когда их геофизические характеристики существенно отличаются друг от друга. При проведении инженерно-геологических исследований часто используется электропрофилирование (ЭП), а также сейсморазведку по методу преломленных волн (МПВ). Геофизические методы позволяют обнаружить крупные аномалии в строении геологической среды (пустоты, зоны трещин, погребенные эрозионные врезы); выявить геологическое и гидрогеологическое строение исследуемой области геологической среды; оценить некоторые свойства коллекторов (пористость, трещиноватость, водонасыщенность и упругие свойства).
Исследования ведутся с поверхности земли, в водной среде, на акваториях, в буровых скважинах, горных выработках, с использованием аэро- и космических методов, в лабораторных условиях на образцах горных пород.
Электроразведка является ведущим методом комплекса геофизических работ и в зависимости от решаемых задач и инженерно-геологических условий может применяться как самостоятельно, так и в сочетании с другими геофизическими и инженерно-геологическими методами. Использование гравиразведки и магниторазведки ограничено решением некоторых частных задач. Методы скважинных исследований, помимо традиционных, включют специальные наблюдения за динамическими параметрами фильтрационных потоков, свойствами и состоянием массивов горных пород.
Изучение физико-механических свойств грунтов
и гидрогеологических параметров
При инженерно-геологических изысканиях возникает необходимость определения прочностных параметров: пористости, трещиноватости, водонасыщенности и других физико-механических и водно-коллекторских характеристик горных пород. Теоретические и экспериментальные исследования позволяют установить связь между этими параметрами и физическими свойствами пород, измеренными при геофизических исследованиях.
Статистические методы определения модуля упругости в массиве, основанные на непосредственном измерении величины деформации под действием искусственно создаваемых нагрузок, очень громоздки и позволяют получить значения только в отдельных точках. Сейсморазведка дает возможность определить скорости прохождения продольных и поперечных волн и затем, зная плотность пород, рассчитать значение динамического модуля упругости и коэффициента Пуассона.
Плотность литологически однородных, особенно скальных пород, меняется в относительно небольших пределах, поэтому ее можно определить или на образцах, или в скважинах и распространить полученные значения на весь массив. Скорость распространения продольных упругих колебаний определяется обычными приемами сейсморазведки. Увеличение интенсивности продольных волн при изучении на небольших глубинах можно добиться, возбуждая упругие колебания ударом в горизонтальной плоскости или направляя энергию взрывов по горизонтали. Для того чтобы сейсмоприемники лучше воспринимали колебания, их укладывают горизонтально в небольших углублениях.
При изучении трещиноватости чаще всего используются геоэлектрические методы. Кроме того, изучение трещиноватости проводится с помощью сейсморазведки. Получение четких результатов обеспечивается значительными различиями скоростей распространения упругих колебаний в трещиноватых зонах и монолитных породах.
Особенно ценные сведения при изучении трещиноватости можно получить при совместном использовании геоэлектрических и сейсмических методов с использованием данных, полученных в результате геологической съемки, проходки горных выработок и гидрогеологического опробования.
При инженерно-гидрогеологических исследованиях геофизика используется для оценки водно-физических свойств горных пород и определения условий залегания подземных вод, изучения их динамики и минерализации.
При изучении динамики подземных вод наблюдения за электрическими полями фильтрационного происхождения позволят прослеживать водные потоки неглубокого залегания, определять места инфильтрации и разгрузки подземных вод. В многолетнемерзлых породах, где происходит разгрузка подмерзлотных и межмерзлотных вод сопротивление поверхностных вод пониженное.
Изучение физико-геологических процессов
Геофизические методы широко используются для изучения таких физико-геологических явлений, как карст, оползни и многолетняя мерзлота.
Карст. При изучении используются наземные и скважинные геофизические методы для решения следующих задач.
Изучение условий развития карста – литологическое расчленение геологического разреза, установление генетических особенностей, выявление и изучение древних долин, определение положения уровня грунтовых вод и т.п.;
Изучение погребенного карстового рельефа, мощности, степени трещиноватости и кавернозности карстующейся толщи;
Картирование карстовых полостей, разрушенных и разуплотненных зон в карстующейся толще и толще покрывающих пород;
Изучение трещинно-карстовых вод;
Определение изменчивости физико-механических свойств горных пород (карстующихся и покрывающих).
Наиболее результативными методами при изучении карста является электроразведка (профилирование, зондирование). При самом благоприятном соотношении изометрические карстовые полости могут быть обнаружены в том случае, если их центры залегают на глубине, не превышающей двух диаметров. Разрешающая возможность прогнозирования повышается при выявлении протяженных карстовых полостей как поверхностного, так и подземного типа.
Простирание трещиноватых закарстованных зон определяется помимо профилирования с помощью кругового зондирования. Получаемые полярные диаграммы указывают своими большими осями направление, в котором вытянута анизотропная среда, соответствующая крутопадающим трещиноватым зонам.
При выборе комплекса геофизических работ рекомендуется учитывать характеристику возможностей и особенностей применения различных геофизических методов для изучения карста.
Важной особенностью геофизических исследований карста является потребность в проведении опытно-параметрических работ для выбора комплекса методов и схем измерения, оптимального для данных геологических условий.
Должно быть обеспечено своевременное выполнение геофизических исследований, требующихся для рационального размещения скважин. По мере накопления данных бурения, а также других работ, материалы этих исследований целесообразно подвергать повторной интерпретации.
Оползни. Геодинамические исследования для изучения оползней основаны на разной дифференциации физических свойств пород в теле оползня и коренном залегании.
Различие физических свойств оползневых и коренных пород позволяет успешно использовать методы сейсмо- и электроразведки при картировании оползневых отложений, выделении поверхностей скольжения, изучении степени разрушенности пород.
При изучении особенностей обводненности оползней геофизическими методами определяют уровень грунтовых вод и степень увлажнения глинистых грунтов в зависимости от сезонных условий.
Определение уровня грунтовых вод производится сейсморазведкой МПВ и электроразведкой методом ВЭЗ. Для определения влажности в теле оползня применяются методы естественных сопротивлений, потенциалов и термометрия.
Многолетняя мерзлота характеризуется:
1. Наличием границ, на которых происходят значительные изменения электрических и упругих свойств при переходе пород из талого в мерзлое состояние;
2. Сложным блоковым геоэлектрическим и геосейсмическим строением мерзлого массива;
3. Нестабильностью границ и свойств горных пород во времени, связанной с изменением температурного режима.
Метод электрического зондирования применяется для определения верхней и нижней границ мерзлоты. Верхняя граница выделяется по крутому подъему кривой зондирования. По данным сейсмических работ можно получить качественную инженерно-геологическую характеристику кровли мерзлоты на глубину проникновения в нее преломленной волны.
Нижняя граница мерзлоты прослеживается по правой крутопадающей ветви кривой зондирования.
При картировании границ распространения многолетней мерзлоты, помимо электрического зондирования, широко используется электропрофилирование. Профили прослеживаются в зависимости от данных ландшафтной съемки. На границе ρк участки развития мерзлоты выделяются максимумами. Картирование мерзлоты ведется также по температурным наблюдениям, выполняемым с помощью термометров.
Наблюдения с поверхности земли и в буровых скважинах дают возможность изучения динамики многолетней мерзлоты. Точные данные получаются в результате применения стационарно установленных в мерзлой толще температурных или электрических датчиков. При длительных наблюдениях выясняются общие тенденции в развитии мерзлоты.
В целом применение комплекса геофизических методов при производстве инженерно-геологических изысканий позволяют получить достаточно объективную информацию о разрезе, свойствах грунтов, их изменении в плане и по глубине и т.д. и в значительной мере дополнить данные прямого изучения инженерно-геологических условий. Виды, методы проведения и интерпретации результатов геофизических работ будут освещены в соответствующих курсах.