книги из ГПНТБ / Викторов Г.Г. Мюонный метод определения плотности горных пород

Регистрацию космических мюонов проводили на четырех горизонтах месторождения. Максимальная глубина наблюде­ ния составляла 520 м, а время наблюдения на этой глуби­ не— около 70 ч. При этом была достигнута статистическая погрешность регистрации около ±10%. Полученные сведения о величине средней плотности горных пород были в дальней­ шем использованы для интерпретации данных наземной гра­ виразведки (табл. 4.5).

Измерения в скважинах. Э к с п е р и м е н т а л ь н а я с к в а ­ ж и н а В Н И И г е о ф и з и к и в г. Р а м е н с к о м . При оп­ ределении плотности пород в этой скважине использовали ап­ паратуру типа ИИКЛ-2. Регистрацию мюонов проводили через 20 м до глубины 80 м со статистической погрешностью

± (4,0—^10) %. Измерения проводили по методике двух-, трех-

кратных повторений. Стабильность аппаратуры контролиро­ вали путем многократных измерений интенсивности мюонов на поверхности, у устья скважины. Погрешность в определе­ нии плотности по данным повторных наблюдений составила около 0,06 г/см3. Послойная плотность была вычислена для слоев мощностью 20 и 40 м. В этой же скважине для опреде­ ления плотности пород были выполнены измерения силы тя­ жести скважинным гравиметром типа ГСК-130. Наблюдения Ag производились через интервал 40 п 80 м в нескольких рей­ сах. При этом погрешность измерения силы тяжести состав­ ляла ± (0,8-г- 0,9) миллпгал, а погрешность в определении плотности— ±0,14 г/см3.

Учитывая, что скважина пробурена в осадочной толще, пласты которой залегают практически горизонтально и не ме­ няют свой состав по простиранию, следовало ожидать совпа­ дения результатов определения плотности мюонным и грави­ метрическим методами. Действительно, плотностные характе­ ристики пород, полученные обоими методами, различаются

этой скважине— расчленение геологического разреза по плот-. пости. Точки наблюдений располагались па глубинах, соот­ ветствующих литологическим границам горных пород. При наличии достаточно мощного слоя литологически однородных пород в пределах этого слоя проводили дополнительные из­ мерения. Статистическая погрешность регистрации потока мюонов колебалась от ±2,2 до ±8%, однако большая часть измерений была проведена с погрешностью около ±5% . Что­ бы повысить надежность определения плотности, измерения интенсивности мюонов на одной точке проводили несколько

раз: при спуске н подъеме зонда. Погрешность определения средней плотности составила ±0,07 г/см3, а послойной — око­ ло ±0,10 г/см3.

На рис. 4.2 показаны в виде денситограммы с доверитель­ ными интервалами результаты определения послойной плот­ ности. Видно, что верхняя часть разреза, представленная разнозерипстым песком с включением гальки, .характеризуется

песчаником, глиной и верхней частью трещиноватых порфн-

объединить указанный комплекс пород в одну плотностную группу. Массивные порфириты, залегающие на глубине 60— 100 м, отличаются более высокой плотностью, равной в сред­ нем 2,50 г/см3, и надежно выделяются по этому параметру среди других пород разреза.

П л о т н о с т ь п о р о д в у с л о в и я х с л о ж н о г о р е л ь ­ е фа м е с т н о с т и определяли в скважинах, пробуренных с поверхности воды, заполняющей карьер. Геологический раз­ рез представлен рыхлыми и монолитными образованиями. Ввиду ограниченных размеров карьера его борта существенно влияли на результаты измерений потока мюонов, а следова­ тельно, и на величину определяемой плотности.

Для выяснения степени этого влияния были выполнены модельные расчеты. При этом разрез через карьер аппрок­ симировался двухслойной средой: водой, заполняющей карь­ ер (ст—1,0 г/см3), и однородными горными породами (о,„ = 2,0 г/см3) (рис. 4.3,а). Поскольку контур карьера в плане изометричен, а рельеф не является сложным, поток мюонов рас­ считывали упрощенным способом. Как показано в гл. 3, по­ ток мюонов регистрируемый черепковским счетчиком, имею­ щим форму цилиндра, можно рассчитать по формуле (3.14), но для этого необходимы сведения о коэффициенте диффуз­ ного отражения покрытия детектора, а также о минимальном пробеге мюонов в детекторе, при котором он еще будет заре­ гистрирован. Последний параметр, в свою очередь, зависит от уровня дискриминации, свойств ФЭУ, величины высокого на-

пряжения, в связи с чем точное его вычисление встречает определенные трудности. Чтобы избежать этого, расчет пото­ ка мюонов целесообразно проводить по стандартной формуле для глобального потока (1.48), а затем перейти к потоку, регистрируемому аппаратурой, с помощью коэффициента /Сф который определяется из соотношения:

где Фог. — глобальный поток мюонов на поверхности.

Вычисление потока мюонов при наличии сложного релье­ фа осуществляется путем замены интеграла (1.48) суммой по

Учитывая нзометричность карьера и симметричность распо­ ложения скважины относительно его бортов, разбиение ин­ теграла (4.1) проводили только по зенитному углу 0/ на интервалы: 0—5°; 5—10°, 10—20°, 20—30°; 30—40°; 40—50°; 50—60°, 60—70°. Углы Ѳ,- >70° дают приращение потока мюо­ нов около 5% относительно интервала 0—70° (см. §3.2), поэ­ тому для этих углов его не вычисляли. Используя данные расчетов потока мюонов и нормированную кривую (см. рис. 1.3), нетрудно определить глубину точек наблюдений в метрах водного эквивалента, а из выражений (3.23) и (3.26) — среднюю и .послойную плотность горных пород. При

уменьшается и расчетные значения плотности приближаются к истинной плотности горных пород, равной 2,0 г/см3. Макси­ мальное же влияние бортов карьера приходится на глубины 15—20 и 25—35 м.

Скважина 11, в которой определяли плотность, смещена относительно центра карьера, поэтому для повышения точ­ ности расчета вычисление потока мюонов проводили по вось­ ми азимутальным лучам для каждой точки наблюдения —

14 м (вода), 17, 20, 23,5, 26 и 29,5 м (см. рис. 4.3, а). Пр.и этом, по дайным мюонного метода, плотность рыхлых пород, слагающих борта карьера, приняли равной в среднем 1,56 г]см3, а плотность толщи горных пород, представленных супесью с галькой, глиной и трещиноватыми песчаниками, — 2,35 г/см3. Плотность нижележащих монолитных песчаников не изучали и приняли равной 2,51 г/см3 по аналогии с сосед­ ним участком. Определение плотности слоя указанным выше способам осуществляли путем сравнения двух значений плот­ ности 0і и 02, из которых 0і заведомо меньше истинной плот­ ности, а 02 заведомо больше. Для этих случаев производили

рельефа, и кривая изменения плотности, полученная обычным способам для плооко-параллельных слоев. Как видно, без учета .влияния бортов карьера появляется существенная погрешность в определении плотности.

Анализ исправленных значений плотности показывает, что в области развития рыхлых отложений надежно выделяется зона уплотненных пород (интервал 17—20 м) с плотностью, равной 2,24 г/см3. Эта зона проявляется как на фоне ниже- и вышележащих горных пород, так и на фоне средней плот­ ности всей толщи рыхлых образований. При этом различие в плотности зоны уплотнения и окружающих слоев, а также всей рыхлой толщи превышает двухкратную погрешность оп­ ределения плотности.

4.2. Определение плотности грунтов для целей инженерной геологии

Определение плотности горных пород имеет важное зна­ чение при решении многих инженерных и строительных задач. В связи с .возрастающими требованиями к точности определе­ ния физико-механических свойств грунтов, особенно при строительстве уникальных сооружений, -возрастает роль гео­ физических методов, позволяющих с достаточной достовер­ ностью определять их плотностные характеристики © естест­ венном залегании. При решении этой проблемы определенны­ ми возможностями обладает мюонный метод.

Галечниковые отложения. Эти отложения слагают надпой­ менную террасу реки. Они неоднородны по своему составу и включают гальки' и налуны гранитов, диоритов и других по­ род размером до нескольких десятков сантиметров. Заполни­ телем являются песок, супесь, суглинок. Местами встречаются обособленные прослои и линзы песка. Мощность галечников колеблется от 4 до 30 м. Коренными породами являются гли­ нистые мергели. Галечниковые отложения повсеместно пере­

ную конструкцию, очень чувствительную к вертикальным и горизонтальным деформациям естественного основания. Со­

естественному основанию, поставили задачу детально изучить плотностные характеристики галечников по площади и в раз­ резе.

Для определения плотности галечников было пройдено около 30 шурфов. В этих шурфах, глубина -которых не превы­ шала 5 м, а сечение 2X2 м, методом экскавации определили плотность пород через интервал 1 м. Основная масса измере­ ний была выполнена для глубин 1, 2 и 3 м, так как на боль­ ших глубинах появляются грунтовые воды, что исключает определение плотности экскавационным методом.

Недостаточная представительность по объему изучаемых проб, а также относительно малые глубины изученных интер­ валов и отсутствие определений плотности ниже уровня грун­ товых вод — все это потребовало привлечения мюонного ме­ тода определения плотности, дающего более представитель­ ную и объективную информацию [15].

Измерения потоков мюонов были выполнены в 35 скважи­ нах, расположенных в пределах объекта исследований, и од­ ной опорной скважине, находящейся вне контура площадки. Из общего числа скважин 20 были исследованы в 1968 г., 15— в 1969 г.

Поток мюонов регистрировался установкой ИИКЛ-2 с од­ ним и тремя детекторами. При этом измерения проводились на поверхности, у устья скважин, до спуска и после подъема зонда и на глубине 3 и 5 м, а также на забое скважин (около 10 .и). Рабочие интервалы глубины были выбраны на основа­ нии следующих соображений. Для нивелировки поверхности строительной площадки в некоторых ее местах необходимо снять слой галечников мощностью до 3 л/. Отсюда возникла необходимость иметь .информацию о плотности этого слоя, в частности, для расчета объема земляных работ. В связи с тем что фундамент сооружения (железобетонные основания) должен быть заложен на глубину 2—3 м после нивелировки площадки, потребовались плотностные характеристики двух­ метрового слоя галечников на глубине 3—5 м. Пятиметровый слон на глубине 5—10 м является несущим основные нагруз­ ки от сооружения, поэтому важное значение имела информа­ ция о плотности и этого слоя.

Время наблюдения с одним детектором н-а каждой точкеобеспечивало статистическую погрешность регистрации мюо­ нов около ±3,0% и-в среднем составляло: для глубины 3 м — 25 мин-, 5 м — 36 мин-, 10 м — 70 мин. С тремя детекто­ рами поток мюонов регистрировался с погрешностью ± 2,0%. а экспозиция на соответствующих глубинах составляла в среднем 30, 40 и 75 мин.

Измерения в скважинах на рабочих глубинах проводили при спуске и подъеме зонда.

При интерпретации данных были использованы градуиро­ вочные кривые, шятые на Кубанском водохранилище и Чер­

и 5,90 соответственно. Послойные значения плотности вычис­ ляли по формуле (3.31).

Точность регистрации потока мюонов оценивали на осно­ ве контрольных измерений. Это позволило учесть не только статистическую погрешность, но и погрешность, связанную с точностью погружения зонда на заданную глубину и обуслов­ ленную временными вариациями. По этим данным, средняя квадратическая погрешность измерений оказалась равной

± 3,8%.

Точность определения плотности горных пород зависит от суммарной погрешности, возникающей ори измерении потока мюонов в рабочих скважинах и в процессе 'получения градуи­

рассчитана на основании первичных и повторных определений плотности и получилась равной ±4,1% , или ± 0,09 г/см3.

На основании данных о средних и послойных значениях плотности галечниковых отложений были построены карты нзоплотностей для интервалов 0—3, 3—5 и 5—10 м и плот­ ностные разрезы по двум диаметрам и по периметру кольца

жения являются весьма неоднородными в плотностном отно­ шении как в разрезе, так и по площади. Различие в значени­ ях плотности достигает 0.5 г/см3. С глубиной плотность галечниковых отложений возрастает, достигая на глубине 10 м максимального среднего значения, равного 2,37 г/см3, что связано с естественным уплотнением галечников и увеличе­ нием их влагонасыщенностн (табл. 4.8). В таблице приведе­ ны также значения плотности галечников, полученные экскавационным методом для слоя 0—3 м. Можно отметить совпадение в пределах погрешности плотностных характе­ ристик галечников, полученных обоими методами. Такое сравнение правомерно, учитывая массовость определений каждым методом, хотя при сопоставлении единичных данных необходимо учитывать существенное различие в объемах по­ род, для которых определяется плотность мюонным и экскавационным методами.

Данные мюонного метода использовал,и также для вычис­ ления плотности сухих и обводненных галечников. Поскольку уровень грунтовых вод в пределах исследуемой площади рас­ полагался на глубине 2 м и более, поток мюонов на уровне грунтовых вод вычисляли интерполяцией кривой изменения скорости счета с глубиной в .каждой из исследованных сква­

ристости— 2,33 д/слг3.

Ледниково-моренные отложения. Плотность этих отложе­ ний определяли в скважинах глубиной до 30 м в пределах