Передмова

Практично у всіх університетах та інших вищих навчальних закладах світу, де готують фахівців з геології, екології, гідрогеології і навіть ґрунтознавства, одним із провідних предметів є прикладна геофізика, за допомогою якої оперативно і порівняно з невеликими затратами часу і коштів успішно можна вирішити низку важливих питань, що виникають під час проведення згаданих вище досліджень.

Запропонований посібник ставить за мету ознайомити студентів з:

1. предметом і продемонструвати методичну та економічну доцільність застосування геофізичних методів досліджень під час виконання різноманітних екологічних, гідрогеологічних та інженерно-геологічних робіт;

2. коротким історичним нарисом розвитку інженерної геофізики і її роллю у вирішенні конкретних інженерно-геологічних та екологічних завдань;

3. фізичними властивостями гірських порід;

4. сучасною класифікацією методів, застосовуваних під час вивчення верхньої частини літосферного простору, як середовища проживання людини і його змін під впливом антропогенних чинників та методику їхнього виконання;

5. методикою опрацювання первинних польових геофізичних матеріалів, способів їхнього графічного зображення, виконання якісної та кількісної інтерпретації.

Зокрема, курс містить у собі опис виконання магнітометричних, гравіметричних, електрометричних, сейсмометричних, ядерно-геофізичних та каротажних досліджень, що пов’язані з проектуванням і будівництвом різних за призначенням інженерних споруд, їхнім експлуатуванням, зневодненням (осушенням) та меліорацією земель, проблемами охорони довкілля.

В результаті студент повинен вміти:

1. вибирати комплекс геофізичних методів, що сприяв би вирішенню конкретних інженерно-геологічних, гідрогеологічних та екологічних завдань;

2. виконувати розрахунки геофізичних полів над найпростішими за формою геологічними об’єктами;

3. графічно зображати і виконувати якісну та кількісну інтерпретацію геофізичних матеріалів, що має надати суттєву допомогу під час розроблення геологічних, геодинамічних, гідрогеологічних, інженерно-геологічних та меліоративних задач;

4. застосовувати ядерно-геофізичні методи для оцінювання екологічної безпеки;

5. аргументовано робити висновки про доцільність будівництва певних інженерних споруд, проведення гідрологічних пошуків та екологічну безпеку території в кожному конкретному випадку.

В основу першого посібника, виданого українською мовою, покладений курс лекцій, який у 1997-2006 рр. прочитав автор студентам - екологам Львівського національного університету. Під час його написання використано оприлюднені в різні роки монографічні праці, присвячені окремим методам розвідування (з електророзвідування, сейсморозвідування, магнітометрії та інші), а також збірники праць багатьох наукових інститутів та журнальні статті. Головні із цих робіт наведені в списку пропонованої для самостійного опрацювання літератури і є невід’ємною складовою поглибленого опрацювання цього курсу, особливо з врахуванням приєднання України до Болонського процесу.

На жаль, невеликий об’єм курсу, який регламентований відповідною програмою, затвердженою Міністерством освіти України, не дав змоги автору з достатньою докладністю зупинитись на низці питань і примусив його в багатьох випадках обмежитись лише формулюванням фізичних умов і переліком можливого застосування тих чи інших геофізичних методів для вирішення конкретних гідрогеологічних, інженерно-геологічних та екологічних завдань.

Учбовий посібник розрахований на студентів гідрологічної, інженерно-геологічної та екологічної спеціальностей університетів, а також і для відповідних спеціальностей коледжу (з певним скороченням).

Автор уважає своїм приємним обов’язком висловити подяку кандидату фізико - математичних наук, завідувачу кафедри фізики Землі Фурману В.В, доктору геолого - мінералогічних наук, завідувачу кафедри інженерної геології, гідрогеології та екології Колодію В.В, доктору фізико - математичних наук, Стародубові Ю. П., кандидату геолого - мінералогічних наук, доценту Смішку Р.М., кандидату геолого - мінералогічних наук Лящуку Д.Н., інженеру першої категорії Полубічкові О.М., які прочитали рукопис і зробили низку зауважень, врахованих автором під час підготовки посібника до друку.

ВСТУП

Протягом багатьох десятиріч геофізичні методи розвідування розвивалися під впливом вимог ефективності пошуків і розвідування родовищ корисних копалин, з яких на першому місці були і є нафта та газ. В наслідок цього системи спостережень, апаратуру і прийоми інтерпретації удосконалювали для збільшення роздільності методу на все більших глибинах. Водночас геофізичні методи дослідження під час проведення гідрогеологічних, інженерно-геологічних та екологічних досліджень спрямовані на вивчення реакції фізичних полів на ті чи інші особливості будови літосфери, верхньої частини геологічного середовища потужністю у десятки, зрідка перші сотні метрів або на певні процеси і явища, які в ній відбуваються.

За походженням фізичні поля можна розділити на природні і штучні. До перших належать гравітаційне (сили тяжіння) та магнітне поля Землі, електромагнітні і термічні поля різного походження, поля пружних коливань, що виникають за рахунок природних механічних процесів у геологічному середовищі. Штучні поля - це передусім електромагнітні поля, утворювані контактним або індукційним способом за допомогою спеціальних генераторів, і поля пружних коливань, спричинені вибухами, ударами або вібраціями, на підставі механічного впливу на породу. Перші належать до категорії пасивних, другі - активних. Останні методи загалом мають збільшену розділову здатність (розрізнюваність) і дають змогу вирішувати ширше коло завдань порівняно з пасивними методами, які водночас є простішими у виконанні і дешевшими.

Враховуючи специфіку виконання робіт та об’єктів дослідження, головними вимогами до геофізичних методів, які застосовують під час проведення гідрогеологічних, грунтово-меліоративних, інженерно-геологічних та екологічних досліджень, є:

1. висока докладність дослідження геологічного середовища на порівняно невеликих глибинах із змінними в просторі і з часом фізичними властивостями, зумовленими значним впливом природних процесів та інженерно-господарською діяльністю людини;

2. застосування портативних методів і полегшених вимірювальних схем для пришвидшення. і здешевлення геофізичних робіт та можливості виконання повторних спостережень;

3. застосування декількох (до 3-4) геофізичних методів, які досліджують різні фізичні властивості гірських порід для підвищення точності одержаної інформації;

4. широке застосування свердловин і гірничих виробок, проходження яких нескладне через невелику глибину розвідування.

Геофізичні методи, зазвичай, використовують на всіх етапах перерахованих вище робіт - від дрібно мірильного знімання під час пошуків, розвідування басейнів ґрунтових вод і визначення екологічної небезпеки до вивчення умов експлуатації і впливу на біоту гідротехнічних, гірничо видобувних та інших промислових і цивільних об’єктів на порівняно невеликих ділянках.

Залежно від конкретних питань, які треба вирішувати в процесі робіт, найчастіше застосовують такі методи: електропрофілювання, ВЕЗ (або ВЕЗ-СП), сейсморозвідування переважно з ударними джерелами збудження хвиль, природного електричного поля, дослідження свердловин, зрідка - гравітаційні, магнітометричні, ядерно-геофізичні та теплові.

Незалежно від типу геофізичних досліджень їх можна розділити на такі два головні етапи:

1. збір інформації, тобто проведення польових досліджень;

2. інтерпретація (тлумачення) одержаних матеріалів - якісна і кількісна.

Якісна інтерпретація ґрунтується на використанні різноманітних ефективних параметрів, що допомагають одержати загальну уяву про об’єкт дослідження як у плані, так і по вертикалі. Внаслідок аналізу графіків, розрізів, мап розподілу певних параметрів, що нанесені на відповідній топографічній основі можна систематизувати матеріал, визначити розміщення аномалієтвірних тіл і загалом оцінити геофізичну ситуацію.

Кількісна інтерпретація матеріалів - це передусім розв’язання прямих і обернених задач. Перша передбачає визначення елементів фізичного поля для певної моделі геологічного середовища з детермінованим розміщенням джерел поля, що через математичні складності можливе тільки для обмеженої кількості порівняно простих моделей (плоский контакт між гірськими породами з різними фізичними властивостями, верствуваті геологічні тіла, об’єкти правильної форми - куля, циліндр тощо). Для низки таких моделей - еталонів підрахунки вже зроблені і за ними побудовано сукупність теоретичних кривих і різноманітні номограми і палетки (Пилаєва, Непомнящего, Мікова, Іванова тощо).

Обернену задачу можна сформулювати так: за результатами польових вимірювань відомий характер елементів певного поля і за цими матеріалами треба створити модель геологічного середовища. Інтерпретацію у цьому випадку виконують, порівнюючи практичні графіки з теоретичними кривими (палетками), побудованими за результатами розв’язання прямої задачі.

Внаслідок широкого застосування комп’ютерів під час інтерпретації поняття про прямі і обернені задачі зараз практично перестали протиставляти одні одним, оскільки ЕОМ дають змогу за спеціально опрацьованими програмами розв’язувати обидва типи задач і безпосередньо зіставляти ці результати. Після того, як машина висловить свою „думку” з приводу введених у неї даних, доцільно використовувати додаткову інформацію щодо форми, геологічних властивостей та інших параметрів об’єкта, одержану внаслідок досліджень іншими методами, після введення якої отримують уточнені дані. Такий процес послідовного уточнення результатів інтерпретації називають інтерацією. Його можуть повторювати декілька разів, поки інтерпретатор не вирішить, що за наявними матеріалами суттєвого уточнення результатів одержати все неможливо.

1. Фізичні властивості гірських порід

Геофізичні дослідження побудовані на вивченні особливостей фізичних полів, зумовлених різною щільністю, поруватістю, проникністю, електропровідністю, поляризаційністю, діелектричною проникністю, намагнітованістюі магнітною сприйнятливістю, швидкістю поширення пружних хвиль, природною радіоактивністю, теплопровідністю та іншими властивостями гірських порід. Визначення усіх цих параметрів, їхніх взаємозв’язків та діапазонів можливих коливань наведено нижче.

1.1. Поруватість гірських порід

Одним із головних параметрів гірських порід, від якого суттєво залежать їхні фізичні властивості, є поруватість. Пори можуть бути різними за походженням, формою (рис. 1), розмірами (макропори - понад 1 мм, мезопори - 1,0-0,01 мм, мікропори - 10,0-0,10 мкм і ультракапілярні - менше 0,01 мкм) та внутрішнім взаємозв’язком. В останньому випадку виділяють такі їхні різновиди: загальна, відкрита та ефективна поруватість.

Рис. 1.1. Породи з різними видами поруватості.

Поруватість: а, б - між зернова; в - тріщинно-кавернозна; г - тріщинна.

1 - зерна; 2 - цементувальна речовина; 3 - блокова частина породи.

Коефіцієнт загальної поруватості - це відношення об’єму всіх пор та порожнин (пов’язаних між собою і не пов’язаних) до об’єму взірця. Вимірюють його у відсотках (частках одиниці). Під час обчислення коефіцієнта відкритої поруватості враховують тільки ті пори і порожнини, що з’єднані між собою і в які може потрапити рідина або газ під невеликим тиском. Коефіцієнтом ефективної або динамічної поруватості є відношення об’єму порових каналів, у яких вільно рухається рідина під час фільтрації, до загального об’єму взірця.

Особливим різновидом поруватості (порожнистості) є тріщинуватість, що найхарактерніша для скельних порід і за розмірами змінюється від 0,1 мкм до декількох сантиметрів.

Експериментальні матеріали свідчать, що зростання тиску (наприклад, за рахунок збільшення глибини досліджень ) і кількості цементувального матеріалу (найчастіше це глинисті фракції), в породі може суттєво зменшити її поруватість, а отже суттєво вплинути на її водно-фізичні і фізико-механічні особливості .

1.2. Водонасиченість гірських порід

Кількість води у породі характеризує вагова та об’ємна вологість і коефіцієнт вологонасичення (водонаситу). Перша - це відношення ваги води, що заповнює пори і порожнини, до ваги сухого взірця, друга - відношення об’єму води, що заповнює пори і порожнини, до об’єму взірця. Коефіцієнт водонасичення - це відношення об’єму води, що заповнює пори і порожнини, до об’єму загального порового простору.

Залежно від виду взаємодії з твердими частинками порові води поділяють на зв’язані і вільні. Перші поділяють на адсорбційну ( утворюється на поверхні твердої фази за рахунок електричної взаємодії ), кристалізаційну і конституційну ( входять до кристалічної ґратки деяких мінералів). Водночас адсорбційні води поділяють на міцно- і слабкозв’язані. Розрізнюють їх за рівнем електричних зв’язків із твердою породою. Сила електричних зв’язків для міцнозв’язаної води досягає 1000 атмосфер і дещо менше - для слабкозв’язаної.

Кількість зв’язаної води збільшується зі зростанням кількості глинистих мінералів і дисперсності гірських порід, тобто зі збільшенням питомої поверхні твердої фази.

Вільна або гравітаційна вода рухається за рахунок градієнта тиску і її швидкість визначає рівняння Дарсі:

V=KΔH/l=KI, (1.1)

де V - швидкість фільтрації у м/с (см/с), К - коефіцієнт фільтрації у м/добу, ΔH - різниця тиску, l - довжина шляху фільтрації, I=ΔH/l - градієнт перепаду тиску.

Значення коефіцієнта фільтрації мінімальне для глин і монолітних скельних порід (К<5·10^-5м/добу), що практично є водотривами і значно збільшується для ріняка (галечника), великозернинного піску і сильно тріщинуватих скельних порід, для яких це значення досягає 500 м на добу і більше.

У тих випадках, коли температура довкілля стає від’ємною, відбувається поступовий перехід води в лід: спочатку замерзає вільна вода, потім слабкозв’язана і, нарешті, міцнозв’язана (за температури 70-78⁰ С).

Розрізняють декілька різновидів льоду: лід-цемент та сегрегаційний лід. Перший утворюється у порах та порожнинах і не порушує текстури і структури порід, а тому надає їй додаткової міцності та водонепроникності. Другий утворюється під час підтягування води до місця утворення льоду, а тому первісна структура і текстура породи порушуються. Внаслідок цього зворотний перехід сегрегаційного льоду в рідку фазу супроводжує перезволоження породи, що, водночас, призводить до зменшення її міцності й утримної здатності.