книги из ГПНТБ / Шарапанов, Н. Н. Методика геофизических исследований при гидрогеологических съемках с целью мелиорации земель

должны быть получены с вероятностью не менее 0,6. Эта вероят­ ность может быть обеспечена при 8—9-кратной повторности опро­ бования пласта путем опытных откачек.

Прп использовании геофизических методов исследований кратность опробования пласта должна составить 30—50 раз.

2. При двухслойном строении пласта, первый и второй слой которого характеризуются соответственно коэффициентами филь­

слоев изучаются с вероятностью не менее 0,6, что может быть обеспечено при помощи восьми-девяти опытных откачек. При использовании геофизических методов исследований кратность опробования пласта 30—50 раз.

При кф. в/кф. „ < 0,1 фильтрационные свойства подстила­ ющего слоя определяются с точностью не менее 0,6, а покровных отложений с точностью 0,4—0,5. В этом случае опробование ниж­ него слоя проводится с указанной выше детальностью, а верхнего слоя — с 2—3-кратной повторностью путем опытных откачек или с 20—30-кратной повторностью при использовании геофизи­ ческих методов исследований.

Еслп подстилающий слой не оказывается в зоне активного водообмена, то точность определения фильтрационных свойств

ностью опробования пород.

3. При многослойном строении пласта, схематизируемом в двух­ слойный или более сложный, требования к изучению фильтра­ ционных свойств первых двух от поверхности слоев изложены в пунктах 1 и 2. Нижележащие слои пород изучаются с точностью 0,3—0,4, для чего достаточно иметь одно-два опробования каж­ дого литолого-генетического комплекса отложений.

Если водоносный пласт представлен песчаными отложениями практически с поверхности, что характерно для заболоченных районов, то в этом случае достаточно иметь информацию о его коэффициенте фильтрации, полученную при помощи трех-четырех откачек для каждого геолого-генетического комплекса отложений,

Т а б л и ц а 6

Изменение величины п в зависимости от уровня вероятности Р и неоднородности пород Ь/а

Ь/а

р

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

ста при помощи опытных откачек, в скобках—электрозондирования.

40

даже если точность определения проницаемости пород не меньше 0,6.

Таким образом, для обоснования горизонтального дренажа непосредственно для изучения проницаемости пород применение геофизических методов исследований целесообразно только в тех случаях, когда исследуемый водоносный горизонт представлен супесчано-суглинистыми отложениями и находится в зоне активного водообмена. В противном случае достаточно получить представле­ ние о проницаемости пород при помощи трех-четырех опытных откачек.

При планировании опытно-фильтрационных исследований для обоснования вертикального дренажа следует исходить из указанного выше условия, допускающего возможную погрешность определения прогнозного уровня грунтовых вод до 25%.

В табл. 6 приведены результаты расчетов по определению необходимой кратности п опробования каждого комплекса пород в зависимости от их неоднородности, выполненные при указанном условии (точность вычисления среднего значения искомого пара­ метра не менее 80%). Поскольку песчаные отложения характери­ зуются, как правило, большой однородностью (а/b ~ 0,1 -f- 0,3), для их опробования достаточно предусмотреть четыре — шесть откачек.

Гравийно-галечниковые отложения с различными заполните­ лями неоднороднее песчаных и поэтому для их изучения необхо­ димо предусмотреть большие объемы работ. Однако чем большей проницаемостью характеризуются отложения, тем, по-видимому, менее жесткие требования можно предъявлять к их изучению. Исходя из этого, гравийно-галечниковые отложения, по нашему мнению, можно опробовать всего лишь в 4—5-кратной повтор­ ности, что будет соответствовать 70—80%-ному уровню вероят­

Таким образом, в настоящее время применение геофизических методов исследований только лишь для определения фильтра­ ционных свойств водонасыщенных пород нерационально. Поэтому там, где возможно выделение отдельных геолого-генетпческпх комплексов пород в пространстве только при помощи ВЭЗ, нет необходимости осуществлять электрозондирование также мето­ дом ВЭЗ ВП.

Приведенная методика обоснования минимальных объемов опытно-фильтрационных или заменяющих их работ, выполняемых в процессе гидрогеологических и инженерно-геологических съемок масштаба 1 : 50 000 по существу соответствует современ­ ному уровню использования гидрогеологической информации при проектировании мелиоративных систем.

По-видимому, в дальнейшем расчет мелиоративных систем будет осуществляться из условия оптимизации роста продуктив­ ности сельскохозяйственных культур за счет мелиорации и пока­ зателей изменения ежегодных затрат и капитальных вложений.

.41

В этом случае, если режим грунтовых вод рассматривать как слу­ чайную функцию, отражающую неоднородность проницаемости пород водоносного пласта, то в первом приближении проектирова­ ние может быть выполнено следующим образом.

Предположим, что точки опробования исследуемого геологи­ ческого тела распределены внутри него равномерно и при этом каждая точка характеризует проницаемость пород в определенном объеме изучаемого тела (примерно равном отношению объема всего изучаемого геологического тела к числу точек его опробования). Тогда, если построить кривую распределения величин проница­ емости пород, то окажется, что в зависимости от принятой для расчетов величины проницаемости на какой-то части площади будут обеспечены проектируемые мелиоративные условия, а на какой-то части они окажутся не выдержанными.

Так, например, если при проектировании дренажа взять в качестве расчетного значения коэффициент фильтраций, рав­ ный /сф. ср или &ф. ср — о, то окажется, что в первом случае на территории примерно в 50%, а во втором случае на территории в 16% будут наблюдаться отклонения от проектной мелиоратив­ ной обстановки. Таким образом, уменьшение обеспеченности расчетного коэффициента фильтрации, с одной стороны, приводит к уменьшению потерь урожая за счет снижения плодородия почв, а с другой — к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат, что может быть соответствующим образом учтено целевой функцией (И. Я. Бирман, 1968 год). Свойства этой функции таковы, что при увеличении ее за счет снижения обеспеченности коэффициента фильтрации капитальные затраты и ежегодные издержки уменьшаются, но ухудшается плодородие почв и, следо­ вательно, увеличиваются потери урожая; при уменьшении этой функции соответственно уменьшаются потери урожая, но увели­ чиваются капитальные и эксплуатационные затраты. По экстре­ муму этой функции можно определить оптимальные ирригационнохозяйственные условия рассматриваемой системы и хотя бы фор­ мально обосновать обеспеченность расчетного коэффициента фильтрации.

Выполненные Н. Н. Давыдченко Ц2] расчеты по определению оптимума целевой функции при логнормальном законе распре­

этот вывод сделан на основании выборки из логарифмов коэффи­ циентов фильтрации, плотность распределения которой предста­ влена не менее чем десятью классами.

Поскольку в соответствии с теорией математической статистики каждый класс должен включать в себя хотя бы четыре-пять членов выборки, то для расчетов дренажа указанным методом потребуется по крайней мере 40—50 определений коэффициента фильтрации в пределах распространения каждого выделенного при исследова­ ниях геолого-генетического комплекса отложений.

42

Из изложенного следует, что пересмотр методов обоснования мелиоративных систем может обусловить необходимость суще­ ственного увеличения объемов гидрогеологической информации, необходимой для проектирования, что потребует обязательного применения геофизических методов исследований при определении проницаемости пород,

ХАРАКТЕРИСТИКА ВОЗМОЛШОИ НЕОДНОРОДНОСТИ ЗАСОЛЕННОСТИ ПОРОД ЗОНЫ АЭРАЦИИ. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

Работами многих исследователей установлена значительная про­ странственная изменчивость засоленности пород зоны аэрации, которая обусловливает определенную случайность выводов о том или ином мелиоративном состоянии объекта исследований, по­ строенных на материалах дискретного опробования изучаемой толщи пород.

Засоленность пород, как и фильтрационная неоднородность, характеризуется микро- и макронеоднородностью. Причем непо­ средственной задачей определения засоленности пород является графическое выражение макронеоднородности пласта. В связи с этим при проведении гидрогеологических исследований в первую очередь необходимо различать микро- и макронеоднородность пласта по степени и характеру засоленности х.

Явление микронеоднородности засоленности пород проявляется достаточно широко и заключается в том, что даже на небольшом расстоянии могут наблюдаться определенные вариации в степени засоленности изучаемой толщи пород.

Из общих геологических и гидрогеологических данных следует, что в пределах одного и того же гидрогеолого-мелиоративного района варьируемость засоленности пород сохраняется постоянной как в целом районе, так и на отдельных его участках. Косвенным подтверждением этого положения являются данные о том, что неоднородность засоленности даже почвенных горизонтов как в целом, так и на отдельных участках остается постоянной. Исходя из этого, в первом приближении можно считать, что в пределах одного и того же гидрогеолого-мелиоративного района коэффи­ циент вариации не зависит от площади исследований.

Анализ фактического материала свидетельствует о том, что коэффициент вариации с увеличением степени засоленности пород, как правило, уменьшается. При плотном остатке менее 0,15— 0,2% коэффициент вариации изменяется в пределах 0,8—1,2. При увеличении плотного остатка до 1% коэффициент вариации уменьшается до 0,4—0,5. При плотном остатке более 1% коэффи­ циент вариации снижается до 0,15—0,4.

1 В данном разделе под неоднородностью мы будем понимать неоднород­ ность по типу и степени засоленности пород.

■43

Какой-либо закономерности в изменении коэффициента вари­ ации по глубине зоны аэрации обычно не наблюдается.

При гидрогеологических исследованиях для исключения вли­ яния микронеоднородности в каждой исследуемой точке массива пород необходимо проводить его многократное опробование. Такая методика и рекомендуется почвоведами (особенно при изучении влажности почв). Использование этой методики в гидрогеологи­ ческой практике приводит к необходимости опробования каждой исследуемой точки рассматриваемой области в 2—4, 5—6-кратной повторности [10] (а в отдельных горизонтах необходимая крат­ ность опробования может достигать 600 раз [33]. Поскольку нет оснований для предположений о том, что вариации засолен­ ности пород на небольших участках отдельных гидрогеолого­ мелиоративных районов окажутся больше, чем в целом по пло­

ного опробования горных пород, не могут служить единственной основой для построения достоверных карт засоленности пород, обычно строящихся методом интерполяции точечных данных. При этом мы не отвергаем принципиальной возможности постро­ ения каких-либо карт по материалам дискретного опробования или анализа изучаемых полей отдельных признаков. При большом объеме информации такие построения возможны. При гидрогеоло­ гических же исследованиях у исследователя оказывается неболь­ шой объем информации.

В соответствии с требованиями, предъявляемыми к точности исходных параметров, применяемых для гидрогеологических рас­ четов, в недренированных и слабодренированных областях в рай­ онах древнего (реликтового) засоления в процессе гидрогеологи­ ческих исследований должен быть изучен характер послойного распределения растворимых солей в зоне аэрации и изменение их химического состава по глубине и площади объекта исследова­ ний. С этой целью опробование пород проводят на всю мощ­ ность зоны аэрации при помощи скважин, расположенных по

профилю вкрест распространения основных генетических типов рельефа.

Данные по скважинам используют для выявления пространст­ венных закономерностей в изменении типов засоления пород и одновременно для корректировки эмпирических зависимостей между содержанием солей в породах на объекте исследований и их электрическими свойствами, т. е. зависимостями, необхо­ димыми для интерпретации данных геофизической съемки. Ориентировочное число скважин в пределах каждого типа рельефа составляет 3—4.

Характер послойного распределения растворимых солей в зоне аэрации в недренированных и слабодренированных областях

44

в районах древнего засоления может изучаться при помощи гео­ физических методов исследований.

В слабодренированиых и недренированных областях с реликто­ вым засолением, а также в недренированной области в районах современного засоления необходимо провести детальное изучение степени засоления пород зоны аэрации, которое может быть осу­ ществлено ландшафтно-индикационными и геофизическими мето­ дами исследований. Причем (при неглубоком залегании грунтовых вод) предпочтение должно быть отдано ландшафтно-индикацион­ ному методу и радиопрофилированию. При помощи этих методов можно не только выделить достаточно однородные районы, но и определить тип засоления пород до глубины 10—20 м.

Для использования указанных методов исследований также необходимо иметь небольшое число опорных скважин (три-четыре на каждый тип рельефа), по которым будет осуществляться кор­ ректировка эмпирических связей между засолением пород и их электрическими свойствами.

Поскольку при дискретном опробовании пород, осуществля­ емом в процессе гидрогеологических исследований, в каждой конкретной точке не представляется возможным отделить микро­ неоднородность от макронеоднородности, для картирования сте­ пени засоленности пород зоны аэрации наряду с выделением границ распространения районов с определенным диапазоном изменения засоленности необходимо устанавливать и ее среднюю величину в пределах каждого района. С этой целью следует проводить опробование пород в определенной повторности, обусловленной изменчивостью их засоленности в пространстве и ошибками в ис­ пользуемых методах исследований.

В связи со случайным характером неоднородности содержания солей в породах для определения необходимой повторности их опробования целесообразно использовать методы математической статистики.

В естественных условиях распределение растворимых солей в породах, как правило, подчиняется нормальному закону, а коэф­ фициент вариации, характеризующий дисперсию засоленности, колеблется в пределах 15—70% и реже доходит до 100%.

Для решения задачи о допустимой ошибке определения средней засоленности пород в отдельных гидрогеологических районах рассмотрим возможную ошибку измерения засоленности пород в отдельных точках пространства, характеризуемую в основном представительностью водной вытяжки, подвергаемой химическому анализу.

Состав солей в породах определяется стандартной однократной водной вытяжкой, при которой в ряде случаев извлекаются из анализируемого образца не все легкорастворимые соли. Пред­ ставляют большой интерес работы, выполненные Н. И. Парфено­ вой и О. И. Гроздовой [10, 33] с целью определения представи­ тельности однократной водной вытяжки. По результатам этих

45

работ при сульфатном типе засоленности из образцов с засолением 1—2% в стандартную водную вытяжку переходит 30—40% солей, а при засолении менее 1% — примерно 60% солей.

При хлоридном типе засоленности и общем засолении менее 1 % в стандартную водную вытяжку переходит примерно 77% раство­ римых солей.

Таким образом, в самой методике определения содержания и состава растворимых солей в породах имеются ошибки, достигающие 70—60%.

Очевидно, при гидрогеологических исследованиях не имеет смысла планировать работы, позволяющие получать информацию о варьировании засоленности пород отдельных участков геологи­ ческих тел с точностью, превышающей точность определения растворимых солей в анализируемых образцах пород. Для прак­ тических целей ее можно принять по крайней мере равной точ­ ности выполнения химических анализов, что нами и делается в последующих расчетах.

При указанной выше точности установления засоленности пород, определяемой стандартной водной вытяжкой, и коэффи­ циенте вариации 35—40% при плотном остатке более 1% и коэф­ фициенте вариации 40—50% при плотном остатке меньше 1% приходим к необходимости опробования пород в пределах каж­ дого гидрогеолого-мелиоративного района в следующей повтор­ ности (табл. 7).

и нуждаются в дальнейших уточнениях для различных гидро­ геологических условий.

Тем не менее уже сейчас они являются достаточным основанием для того, чтобы утверждать необходимость опробования пород на засоление в каждом выделяемом районе по крайней мере в 5— 10-кратной повторности. При этом точки опробования целесо­ образно размещать относительно равномерно по площади исследований.

Если опробование пород осуществляется не прямым (путем отбора образцов и их анализа), а косвенным (по геофизическим данным) методами, то в этом случае для характеристики среднего

46

3.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

ОФИЗИЧЕСКИХ ОСНОВАХ МЕТОДОВ ГЕОФИЗИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА И КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ И ГЕОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Э л е к т р о р а з в е д к а м е т о д о м с о п р о т и в л е н и й

Проводимость пород осадочного комплекса по природе своей обусловлена главным образом сквозным переносом зарядов сво­ бодными и слабосвязанными ионами водных растворов. В связи с этим минерализация грунтовых вод и степень засоленности пород зоны неполного водонасыщения (зоны аэрации) являются основ­ ными факторами, определяющими удельное сопротивление пород соответствующего горизонта.

Движение ионов, возникающих в направлении градиента поля, происходит по всему сечению породы по пронизывающим ее порам и капиллярам, поэтому вторым по значимости показателем, вли­ яющим на сопротивление пород, является общая пористость кп.

Связь удельного сопротивления водонасыщенных пород рв. п ■с пористостью пород кп п сопротивлением рв насыщающих их водных растворов (для случая полного насыщения) теоретически и экспериментально хорошо изучена и описывается эмпирическим соотношением

где Рп = рв. п/рв — параметр пористости или относительное сопротивление пород; ап — постоянный коэффициент, изменя­ ющийся для песчано-глинистых пород приблизительно от 0,9 до 1,3; кп — общая пористость пород (в долях единицы); т — структурный показатель, изменяющийся в пределах 1,3—2,2.

Формула (9) широко используется при интерпретации каро­ тажных материалов, но может быть полезна для приближенных оценок и при обработке материалов полевых исследований. В этом случае коэффициенты ап и т находятся из данных параметри­ ческих измерений.

На удельное сопротивление оказывают то или иное влияние

идругие свойства пород: влажность (в случае неполного водо­ насыщения пород), форма зерен и структур норового пространства, температура, гранулометрический состав и особенно содержание

исостав глинистой фракции.

Из всех этих факторов лишь температура (в пределах ее поло­

48

жительных значений связана с удельным сопротивлением пород практически однозначной зависимостью:

где р, и р18 — сопротивления пород при температуре t и 18° С соответственно.

Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления р и параметра Р п от геолого­ гидрогеологических показателей песчано-глинистых пород.

Зависимость удельного сопротивления пород: а — от влажности w, полученная по ре­ зультатам измерений в шурфах (1 — песок, 2 — супеси, 3 — суглинки), б — от влаж­ ности ю по результатам каротажа сухих скважин (1 — легкие суглинки, 2 — средние и тяжелые суглинки), е — от процентного содержания глипистой фракции Г (породы незасолены), г — от степени общей засоленности С пород зоны аэрации—влажность более 10% (1 — супеси, 2 — суглинки); д — зависимость параметра пористости Р п от

коэффициента фильтрации водонасыщенных пссчано-глинпстых пород

Во всех остальных случаях многообразие одновременно влияющих факторов приводит к тому, что связь удельного сопро­ тивления с отдельно взятым показателем свойств пород имеет корреляционный характер с той или иной теснотой связи. Попутно заметим, что по той же причине корреляционный характер связи