Изучение физико-механических свойств грунтов и гидрогеологических параметров

При инженерно-геологических изысканиях возникает необходимость определения прочностных параметров: пористости, трещиноватости, водонасыщенности и др. 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.

В полученных величинах модулей автоматически учитываются все неоднородности состава пород, их нарушенность, характер увлажнения и т.д. По значениям скоростей распространения продольных и поперечных волн вычисляются динамические упругие константы пород, они обычно бывают больше констант, полученных статистическим путем по данным пробных нагрузок.

Для расчета типов горных пород зависимость F от пористости наиболее определенно устанавливается при минерализации насыщающих вод, превышающей 3 г/л. В случаях, когда пористость пород превышает 30%, можно пользоваться каротажными зависимостями и при значительно более низкой степени минерализации.

При меньшей пористости и незначительной минерализации подземных вод и для каждого района типа пород в лабораторных условиях следует выяснить характер зависимостей отношения ρ_n / ρ_b = F от пористости. В дальнейшем на основании полевых наблюдений определяется величина пористости.

Для характеристики пористости помимо электрических параметров используют также скорости распространения упругих колебаний, полученных при акустическом каротаже скважин.

При изучении трещиноватости, т.е разрывов сплошности пород без заметного смещения пластов, нашли применение геоэлектрические методы и сейсморазведка, в значительно меньшей степени микромагнитная съемка, термометрия и т.д. Наличие трещин резко изменяет физические свойства массива горных пород. При наблюдениях необходимо учитывать:

1. Общий объем трещин по отношению к общему объему изучаемых горных пород.

2. Их распределение и ориентацию.

3. Характер вещества, заполняющего трещины.

Чаще всего для изучения трещиноватости 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.

Изучение трещиноватости проводится также методом сейсморазведки. Большие различия в скорости распространения упругих колебаний, а особенно волновых картин в трещиноватых зонах и монолитных породах во многих случаях обеспечивают получение четких результатов. Наиболее характерную волновую картину над трещиноватыми зонами можно получить, используя высокоточную сейсморазведку, а также метод акустического каротажа. На диаграммах скоростей распространения упругих колебаний против трещин наблюдаются глубокие минимумы.

При изучении трещиноватости особенно ценные сведения можно получить при совместном использовании геоэлектрических и сейсмических методов с использованием данных, полученных в результате геологической съемки, проходки горных выработок и гидрогеологического опробования [11].

При инженерно-гидрогеологических исследованиях геофизика используется для оценки водно-физических свойств горных пород и определения условий залегания подземных вод, изучения их динамики и минерализации.

Методами электроразведки и сейсморазведки изучаются условия залегания подземных вод. Глубина залегания грунтовых вод в рыхлых и трещиноватых скальных породах определяется по данным электрозондирования методом сопротивлений (ρ_k ) и методом вызванных потенциалов (η_k ). Удельные электрические сопротивления в водонасыщенных грунтах ниже, чем в зоне аэрации, и по спаду кривой ρ_k устанавливается глубина этой границы. Напротив, вызванные потенциалы в зоне полного водонасыщения выше, чем в зоне аэрации, и уровень подземных вод определяется по подъему кривой η_k . Для той же цели используется сейсморазведка по методу преломленных волн. На границах между зонами аэрации и полного водонасыщения в рыхлых отложениях происходит увеличение скорости распространения продольных упругих волн в 1,3-1,4 раза. В то же время скорости поперечных волн практически не изменяются.

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.

В необсаженных и обсаженных скважинными фильтрами скважинах направление и скорость водных потоков определяется методом заряженного тела. При этом в скважину вводится электролит (поваренная соль). Наблюдения на поверхности земли фиксируют смещение электролита в горных породах, что дает возможность определить динамические параметры скорости фильтрации.

Определение границ между подземными водами различной минерализации ведется методом электрического зондирования и профилирования.

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 [11].

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).

Существующие методы и аппаратура наземных геофизических исследований позволяют выявить карстовые полости, как правило, лишь при отношении глубины залегания к их диаметру (n/d) не более 1-2, если к тому же они достаточно конкретно выделены среди окружающих пород своими физическими характеристиками, а методы исследований околоскважинного и межскважинного пространства недостаточно разработаны и тоже имеют ограничения, касающиеся размеров и контрастности выражения в геофизических полях выявленных полостей.

Для решения поставленных задач применяют различные модификации электроразведки и каротажа скважин, сейсморазведку, гравиразведку, радиометрические и другие методы.

Геофизические методы необходимо применять комплексно, включение в комплекс того или иного метода определяется наличием благоприятных для него физических предпосылок и его способностью решать поставленные задачи.

По своим физическим свойствам карстующиеся породы, как правило, отличаются от окружающих геологических образований. Наибольший практический интерес представляют удельное электрическое сопротивление, плотность и скорость продольных сейсмических волн.

Различие физических параметров вмещающих и растворимых пород позволяет определить их распространенность по площади и характеризовать условия залегания.

Поверхностные карстовые нарушения заполняются обычно различными генетическими типами континентальных образований, физические свойства которых меняются в очень широких пределах. Эти свойства заметно отличаются от свойств коренных пород. Заполнителями подземных карстовых полостей может быть воздух, вода и различные виды субтерральных отложений. В зоне аэрации воздух, сухой песок и лед дают высокие значения сопротивлений, а в то же время как в зоне насыщения вода и практически весь кольматирующий заполнитель характеризуются пониженным сопротивлением. Скорости продольных сейсмических волн заполнителя, как в зоне аэрации, так и насыщения ниже, чем во вмещающих породах. Соотношение плотностей таково, что заполнитель характеризуется дефицитом этого параметра по отношению к окружающей породе.

Реакция физических полей на карстовые нарушения определяется в основном тремя факторами:

1. Различием физических свойств заполнителя карстовых полостей и окружающих пород;

2. Размером нарушений и глубиной их залегания;

3. Формой и ориентировкой пустот в изучаемом объеме пород.

Разнообразие карстовых полостей требует их классификации по геометрическим признакам и особенностям состава заполнителя.

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.

Пример одного из возможных вариантов комплекса геофизических работ для изучения карста [8] приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Комплекс геофизических работ для изучения карста на стадии проект, разработанный в Башкирии

№	Виды работ	Объемы на 1 км 2
1 2 3 4 5	Наземные геофизические исследования, ф.н. Круговое вертикальное электрозондирование (КВЗ) Вертикальное электрозондирование (ВЭЗ) 2) : -для глубокого (более 20-30 м) карста по сетке 100х100-50 м -для неглубокого (до 20-30 м) карста по сетке 50х50-25 м Электропрофилирование (ЭП): -для глубокого карста по сетке 50х50-25 м -для неглубокого карста по сетке 25х25-10 м Сейсморазведка (МПВ) -для глубокого карста (база приема 92 м, шаг сейсмоприемника 2-5 м) -для неглубокого карста (база приема 46 м, шаг сейсмоприемника 2 м) Комплексный каротаж, % от объема бурения	15-30 100-200 400-800 400-800 1600-4000 60-100 100-150 80 3)

¹ Таблица приводится в качестве примера одного из возможных вариантов комплекса геофизических работ для изучения карста

² При выполнении ВЭЗ применяется метод 2 составляющих (МДС)

³ В каротажные исследования в данном комплексе включаются методы сопротивления КС (а в случае отсутствия воды в скважине – каротаж МСК), потенциалов собственной поляризации ПС, гамма-каротаж ГК, кавернометрии КМ, расходометрии РМ-С, резистивиметрии РЕЗ (с засолением). При необходимости комплекс дополняется методом заряда МЗ, вертикальным сейсмическим профилированием ВСП и другими методами.

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. В табл.1.8 приводятся сведения об изменении электрических и сейсмических характеристик пород на оползневых склонах, где ρ_кор; V ρ_кор ; α ρ_кор ; V S_кор , α S_кор – соответственно удельное электрическое сопротивление, скорости продольных и поперечных волн и эффективные коэффициенты затухания продольных и поперечных волн в коренном залегании; ρ_оп , Vρ_оп , VS_оп , α ρ_оп , αS_оп – значения тех же параметров в теле оползня.

Таблица 1.8.