1.9.2. Скельні породи

Фундаментом для значних інженерних споруд у більшості випадків є скельні породи. У цих випадках особливо велике значення має визначення динамічного модуля пружності E_д, коефіцієнта Пуасона ν_д та модуля зсуву G. Зв’язок цих констант зі швидкістю поширення поздовжніх і поперечних хвиль та щільністю порід σ визначають за такими формулами:

G=Vs2νд.

(12)

Оскільки вимірювати V_s буває складно, а інколи й неможливо, на практиці досить часто використовують кореляційний зв’язок між параметрами E_д, ν_д, G і V_p, тобто залежності у вигляді E_д=f(V_p); ν_д=f(V_p), що досить докладно можна відобразити рівнянням типу:

lg E_д=mlg V_p+lgК і ν_д=a+b V_p, (13)

де залежно від типу скельних порід множень (коефіцієнт) m змінюється від 1,71 до 2,13, значення lgК - у межах 4,19-4,55, а безрозмірну сталу а та множень b, що має розмірність с/км (якщо V_p наведено в км/с), визначають експериментально і вони можуть змінюватися у значних межах.

Під час опрацювання геофізичної інформації важливим є виявлення співвідношення між динамічними показниками, що одержують у випадку використання сейсмоакустичних матеріалів (E_д), і статичними значеннями, визначених геотехнічними методами(Е_с ) _, що значно відрізняються між собою навіть у випадку ідеально пружного середовища. Численними лабораторними і натурними спостереженнями доведено, що з достатньою для практики докладністю цю залежність можна визначити за формулою

Е_с =0,35 E_д^1,14. (14)

Залежність ця порівняно інваріантна щодо генетичного типу порід і її значення залежить тільки від абсолютної величини модуля пружності (рис. 23).

Для визначення водопроникності, поруватості та ступеню водонасиченості гірських порід можна скористатися статистичними звязками цих елементів з електричними властивостями.

Рис. 23. Графік залежності між значеннями динамічного Е_д і статичного Е_с модулів пружності.

Водопроникність гірських порід - це їхня здатність пропускати через себе розчини (воду) за наявності гідравлічного градієнта. У скельних породах водопроникність майже повністю залежить від відкритої тріщинуватості та наявності порожнин (каверн), у пухких - від наявності значних за розмірами взаємопов’язаних пор, характерних для гранулярних структур, а у напівскельних - об’єму щілинно-поруватих порожнин. Численними дослідженнями доведено, що всі види водопроникності тісно пов’язані з електричними властивостями. Проте зв’язок цей досить складний, оскільки в цьому випадку задіяна значна кількість параметрів: поруватість та структурно-текстурні особливості порід, їхня водонасиченість, ступінь мінералізації вод, температура тощо.

Проте це завдання дещо спрощується завдяки тому, що в конкретних геологічних умовах під час дослідження обмеженого об’єму геологічного середовища не всі перераховані чинники змінюються у значному діапазоні. Тому не дивно, що досить часто між коефіцієнтом фільтрації К_ф (м/добу) і ρ_пит можна спостерігати досить стабільний кореляційний зв’язок , який загалом має вигляд:

lg К_ф=A_ф+B_ф lgρ, (12)

де A_ф і B_ф - коефіцієнти, що визначають для кожної конкретної ділянки дослідним шляхом.

Несталість мінералізації підземних вод може докорінно змінити наведену вище формулу, тому, на думку багатьох дослідників, для визначення К_ф доцільніше використовувати параметр Р (відносний опір), що визначають за формулою

Р=ρ_п/ρ_в, (13)

де ρ_п та ρ_в - питомий опір, відповідно, породи і води, що заповнює пори та порожнини.

Зв’язок відносного опору з коефіцієнтом фільтрації К_ф загалом має вигляд:

Р=В_ср/ К_ф^m (14)

де В_ср і m - сталі для відкладів певного літологічного та гранулометричного складу.

Поява в породах гранулярної структури глинястої фракції порушує наведену вище закономірність, оскільки виникає додаткова електрична провідність через мінеральний скелет глинястого матеріалу.

Окрім параметрів ρ_п і Р, для визначення проникності часто застосовують поляризаційність η. Оскільки явище спричиненої поляризаційності зумовлено розвитком специфічних поверхневих процесів, що виникають на межі розділення твердої і рідкої фаз, значення η буває інформативним щодо низки воднофізичних властивостей гірських порід, зокрема, їхньої проникності. Для пухких порід у зоні аерації, насиченій прісними (солодкими) водами, цей зв’язок найчастіше можна передати формулою

η=аК_ф^в, (15)

де а і в - значення, що залежать від складу порід і ступеня їхньої літифікації.

Доведено також достатньо тісний кореляційний зв’язок між поляризаційністю і водовіддачею пухких порід та числом глинястості пухких відкладів.

Наведені міркування стосуються переважно порід з гранулярною поруватістю. Проблема можливості використання перерахованих параметрів для визначення проникності скельних порід вивчена значно менше. Зазвичай, в цьому випадку користуються різноманітними, більш-менш сталими кореляційними зв’язками, отриманими для конкретних геолого-гідрогеологічних умов.

Коефіцієнт поруватості та шпаринної порожнинності К для повністю водонасичених порід, зазвичай, визначають за формулою

де ρ_п та ρ_в - питомий опір, у межах 1,3 - 2,0 під час переходу від пухких до міцно зцементованих осадових порід.

Залежність питомого опору гірських порід від об’ємного вмісту вологи К_q у порах породи (вологонасиченість порового простору породи) відображає коефіцієнт

P_q=1/К_q^2,15, (17)

який свідчить, у скільки разів збільшується опір породи у випадку часткового насичення її пор вологою (у кількості К_q частинок одиниці об’єму порового простору) порівняно з питомим опором ρ_в тієї ж породи за умови повного насичення її пор вологою.

Окремо зазначимо наявність дуже цікавого емпіричного зв’язку, виявленого Е.П. Пузіним для Балтійського кристалічного щита, відповідно до якого залежність між питомим дебітом свердловини q, просвердленої в давніх метаморорфічних породах, і їхнім середньоквадратичним опором ρ_м, визначає формула

Q=425 ρ_м^-1 (18)

У породах-колекторах частина об’єму пор може бути насичена нафтою або газом. Оскільки нафта і газ практично не проводять електричний струм, питомий опір нафтогазоносійних порід ρ_нп збільшується у Р_н разів порівняно з її питомим опором для повної водонасиченості ρ_вп:

Р_н=ρ_нп/ρ_вп; ρ_пв=Р_нρ_вп. (19)

Значення Р_н називають параметром насичення, що пов’язаний з коефіці-єнтом водонасичення породи К_в співвідношенням

Р_н=а_п/К_вⁿ , (20)

де а_n і n - емпіричні сталі, значення яких залежать від структури порового простору, глинястості порід та вибіркової змочуваності поверхні пор водою та вуглеводнями.

Для чистих міжзернових гідрофільних колекторів n=1,8-2,0, для глинистих гідрофільних n<1,6 і зменшується зі збільшенням глинястості. Для частково гідрофобних міжзернових колекторів, частина поверхні пор яких змочена вуглеводнями, n>2 і досягає значень 3-10, причому чим більша гідрофобізація поверхні, тим більше n.

Коефіцієнт нафтогазоносійності К_нг=1-К_в.

Усереднені зв’язки параметра насичення Р_н з К_в (К_нг) ілюструє рисунок ?.

Значення К_в, що залежить від насиченості порового простору вуглеводнями, для певного типу колектора (наприклад, глинястого) змінюється в обмеженому діапазоні 1>К_в>К_в.св., де К_в.св. відповідає мінімальній (незнижуваній) для певного колектора водонасиченості, коли вся вода в порах є зв’язаною, нерухомою. Значення К_в=К_в.св. відповідає гранично нафто- або газонасиченому колектору, коли значення К_нг ста є максимальним для цієї породи. Від літології породи залежить К_в.св., що збільшується зі зростанням глинястості і зменшенням їхньої кількості, а також головні фізико-деформаційні характеристики ґрунтів.Тобто електроопір через кількість глинястого матеріалу пов’язаний з цими характеристиками. Аналогічну залежність для низки “глина-супісок-пісок” спостерігаємо і для параметра поляризаційності порід η.

Швидкість сейсмічних хвиль для однотипних ґрунтів залежить переважно від наявності глинястих і дрібнодисперсних фракцій, що збільшують сумарну площу дотикання між зернами породи і сприяють підвищенню швидкості хвиль.

Нарешті, природна радіоактивність осадових порід дуже тісно пов’язана з їхньою глинястістю, що дає змогу використовувати гамма-каротаж для виділення оптимальних місць для закладання фільтрів у гідрогеологічних свердловинах, які пройдені у товщі водоносійних пісків (мінімум на кривих ЕЕП і гамма-каротажу та максимум на діаграмі ρ_п).

Питання для перевірки знань

1.1

1 В залежності від внутрішнього взаємозв’язку пор виділяють такі їхні різновиди.

2. В залежності від розмірів пор виділяють такі їхні різновиди.......

3.Що таке коефіцієнт загальної поруватості?

4.Як залежить поруватість від тиску і наявності цементувального матеріалу?

5.У яких порід (осадових чи вивержених) поруватість більша?

1.2.

1. Вагова водонасиченість це .........і вимірюють її у.....

2.Об’ємна водонасиченість це .........і вимірюють її у....

3.Коефіцієнт водонасиченості це ....... і вимірюють його у.....

4.Адсорбційні води це........

5. Адсорбційні води поділяють на.....

6.Напішіть рівняння Дарсі

7.Назвіть породи, які мають дуже низькі і дуже великі значення коефіцієнтів фільтрації.

1.3

1. Питомий опір це........і вимірюють його в ,що випливає з формули...

2. Поляризація порід це ... Вимірюють її у ... Що випливає із формули.....

3. Дайте визначення діелектричної проникності і вкажіть в яких одиницях її вимірюють?

4. Що таке електрохімічна активність гірських порід і в яких одиницях її вимірюють?

5. Перерахуйте, які фактори визначають питомий опір гірських порід?

6. За якою формулою визначають питому провідність і в яких одиницях її вимірюють?

7. Питомий опір взірців правильної форми визначають за формулою:...

8. Носіями стуму в металах є ...

9. Носіями струму в рідинах є ...

10. Залежно від механізму проведення струму всі природні мінерали поділяють на ...

11. В залежності від типу провідності, які мінерали належать до класу провідників, напівпровідників та діелектриків?

12. Питомий опір гірських порід залежить від ...

13. Від чого залежить питомий опір розчинів?

14. Намалюйте приблизну залежність питомого опору порід від вмісту в них електропровідних мінералів.

15. В якому випадку питомий опір породи, що містить 15% електропровідних мінералів, буде близьким до опору останніх?

16. Намалюйте (схематично) залежність питомого опору породи від:

а ) тиску; б) температури; в) поруватості.

17.В яких випадках питомий опір порід залежить від віку їхнього утворен ня, а в яких не залежить?

18. Перерахуйте від яких факторів залежить питомий опір розчинів.

19 .Як змінюється опір порід зі збільшенням вологості?

20.У яких порід опір вищий: осадових чи інтрузивних і чому?

21.Як змінюється опір порід над тектонічними порушеннями і чому?

22Що більше поляризаційність чи питомий опір?

23.У яких породах поляризаційність вища: пісках, супісках, глинах і чому?

24.Як впливає мінералізація ґрунтових вод на їхню поляризаційність?

25.Як впливає мінералогічний склад безрудних масивних кристалічних по рід на величину їхньої поляризаційності?

26.Як впливає температура на величину поляризаційності порід?

27.Збільшення поляризаційності, величина якої перевищує 3-5%,. зумовлена ...

28.Над якими породами (осадовими чи виверженими) поляризаційність, зазвичай, буває вищою і чому?

29.Фазові переходи рідини до твердого стану залежать від ...

30.На скільки доцільно застосовувати метод спричинених потенціалів для виокремлення ділянок промерзлих порід?

1.4

1. Перерахуйте чинники, від яких залежить швидкість поширення пружних хвиль у породах?

2. Як змінюється швидкість руху пружних хвиль в залежності від глибини залягання порід?

3. У яких порід (осадових чи вивержених) вища швидкість розповсюдження пружних хвиль?

4. Як залежить V_р від вмісту кремнезему в магматичних породах?

5. Зі збільшенням поруватості порід величина V_п ...

6. Регресивний зв’язок між швидкістю поширення пружних хвиль і густиною гірських порід можна визначити таким рівнянням:

7. Які хвилі не поширюються у рідкому середовищі?

8. Як впливає температура на швидкість проходження хвиль?

9. Як і чому залежить швидкість проходження пружних хвиль зі збільшенм

глибини залягання порід ?.

1.5

1. Як змінюється густина інтрузивних порід зі збільшенням їхньої основності?

2. У яких порід ( інтрузивних чи ефузивних) густина вища і чому?

3. До яких змін густини призводить наявність тріщинуватості порід і чому?

4. Чи існує залежність між густиною і глибиною залягання гірських порід?

5. Що таке мінералогічна густина і в яких одиницях її вимірюють в системах СІ та СГС?

6. Що таке питома густина гірських порід і в яких одиницях її вимірюють в системах СІ та СГС?

7. Що таке загальна густина гірських порід?

8. Що таке коефіцієнт загальної поруватості порід?

9. Що таке коефіцієнт ефективної або динамічної поруватості?

10. Що таке коефіцієнт відкритої поруватості?

11. Які породи мають найвищу густину?

12. Як залежить густина порід від текстурно-структурних особливостей?

13. Як впливає метаморфізм порід на їхню щільність?

14Що таке вагова вологість?

15Що таке об’ємна вологість?

16. Коефіцієнт водонасичення - це...

17. Перерахуйте які чинники впливають на густину порід?

18. В яких породах на густину переважно впливає їхній склад?

19. В яких породах на густину переважно впливає їхня поруватість

20. Наявність рудних мінералів у породі призводить до їхньої щільності.

21. Наявність тектонічних порушень призводить до утворення ....... аномалій. Чому

1.6.

1 .У яких порід магнетна сприйнятливість вища: у інтрузивних чи у їхніх ефузивних а налогів?

2. Як впливає тріщинуватість порід на їхню магнетну сприйнятливість?

3. Як впливає вивітрилість порід на їхні магнетні властивості?

4.Окислення феромагнетних мінералів призводить до ..... їхньої магнетної сприйнятливості.

5.Точка Кюрі це....

6. Як впливають структурно-текстурніт особливості порід на їхню немагнетовість?

7. Чим відрізняються магнетна сприйнятливість діа- і пара магнетиків?

8. Що перш за все визначає здатність порід до немагнетування?

9. За своєю магнетною сприйнятливістю всі породи можна поділити на....

10. Залиишкову та індуктивну немагнетованість вимірюють у...

11. Магнетну сприйнятливість гірських порід вимірюють в системі СІ та СГС відповідно у...

12. Залишкова немагнетованість гірських порід це...

13. Індукційна немагнетованість гірських порід це...

14. Магнетна сприйнятливість гірських порід це....

15. Чим відрізняється магнетна сприйнятливість діа- і дерамагнетиків?

1.7

1.Що таке радіоактивність?

2.Загальна властивість радіоактивного випромінювання полягає у ......

3.Гловні параметри , що характеризують радіоактивність це.........

4 Що таке період піврозпаду і в яких одиницях його вимірюють ?

5.Що таке активність радіоактивної величини і в яких величинах її вимірю ють в системі СІ та СГС ?

6.Що таке доза опромінювання і які Ви знаєте її види ?

7.Що таке експозиційна доза і в яких одиницях її вимірюють в системах СІ

та СГС ?

8. Що таке поглинута доза опромінювання і в яких одиницях її вимірюють в системах СІ та СГС ?

9.Що таке еквівалентна доза опромінювання і в яких одиницях її вимірюють в системах СІ та СГС ?

10.Що таке рівень радіації і в яких одиницях її вимірюють?

11.Що таке ступінь забруднення радіоактивними речовинами ?

12.Природна радіоактивність гірських порід передусім зумовлена присутністю в них.....

13.Як змінюється інтенсивність радіоактивності порід при переході від осадових до метаморфічних і вивержених їхніх різновидів ?

14.У яких порід радіоактивність вища кислих чи основних ?

15.Що таке еманація ?

16.Що таке ефект Компотна ?

1.8

1.Які Ви знаєте термічні властивості гірських порід?

2.Що таке теплопровідність і в яки одиницях її вимірюють?

3.Від чого залежить величина теплопровідності?

4.Зі збільшенням поруватості порід теплопровідність їхня......

5.Що таке питома теплопровідність порід і в яких одиницях її вимірюють?

1.9.1

1.Головною причиною, яка впливає на опір пухких і слабкозв’язаних грунтів є.......

2.До яких змін фізичних властивостей гірських порід призводить збільшення в їхньому складі глинястих частинок?

3.Зі збільшенням глинястості пухких порід їхній опір....

4.Зі збільшенням глинястості пухких порід їхня поляризаційність .......

5. Зі збільшенням глинястості пухких порід швидкість проходження крізь них поперечних хвиль..........

1.9.2

1. Напишіть в загальному вигляді формулу, яка відображує кореляційний зв’язок між параметрами Е

2. Який існує зв’язок між динамічними показниками,що одержують у випадку використання сейсмоакустичних матеріалів (Е ) і статичними значеннями, визначеними геотехнічними методами (Е ).

3. Чому зв’язок між водопроникненістю та електричними властивостями гірських порід має складний характер ?

4. Кореляційний зв’язок між коефіцієнтом фільтрації і в загальному випадку має вигляд............

5. Що таке відносний опір ?

6. За якою формулою для пухких порід в зоні аерації що насичена прісними водами, визначають зв’язок між поляризаційністю порід і коефіцієнтом фільтрації ?

7. З якою метою можна використовувати гамма каротаж у гідрогеологічних свердловинах ?

8. Якими аномаліями на кривих ПЕП (природного електричного поля) виділяють піски на каротажних діаграмах ?