Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКИ ПРИ ИЗУЧЕНИИ УЧАСТКОВ ДЕФОРМАЦИЙ АВТОДОРОГ В ЗАБАЙКАЛЬЕ

Кондратьев В.Г.1,2, Оленченко В.В.3

1 Забайкальский государственный университет, Чита;

2 ТрансИГЭМ, Чита;

3 ИНГГГ СО РАН, Новосибирск, v_kondratiev@mail.ru

Аннотация

В работе описаны проблемы эксплуатации железных и автодорог в сложных геокриологических условиях Забайкалья. Обозначены инженерно-геокриологические задачи для электроразведки, решение которых необходимо для разработки мероприятий по стабилизации деформирующихся участков дорог в криолитозоне. Освещены опыт и результаты применения геофизических методов на одном из участков Забайкальской ж.д. с многолетними деформациями земляного полотна на многолетнемерзлых грунтах

Summary

The work describes the operation of railways and highways under complex geocrylogical conditions of Transbaikalia. Designated engineering-geocryological problems for geophysics, which is necessary for the development of activities to stabilize deformable roads in permafrost region. Highlights the experience and the results of one of the sites Transbaikalian railway with long deformation of the embankment on permafrost.

Районы центрального и южного Забайкалья, характеризуется как районы южной границы криолитозоны, с островным распространением высокотемпературных многолетнемерзлых пород и глубоким сезонным промерзанием пород. При эксплуатации железных и автомобильных дорог Забайкалья возникают деформации пути, связанных, в основном, с деградацией льдистых многолетнемерзлых грунтов и пучением сезонно-талых и сезонно-мерзлых.

Наиболее часто наблюдаются деформации тела насыпи, вследствие оттаивания льдистых многолетнемерзлых грунтов в основании насыпи дорог. Они проявляются в виде осадок и прогибов, верхней проезжей части автомобильных дорог и рельсошпальной решетки железных дорог. Встречаются также деформации в виде поднятия, образования прогибов тела насыпи, рельсошпальной решетки и разрывов асфальтного покрытия автомобильных дорог вследствие пучения грунтов сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоев. Часто эти процессы оказывают совместное воздействие на тело насыпи автомобильных и железных дорог.

Авторами доклада накоплен определенный опыт многократных в течение 1996-2012 гг. электроразведочных исследований участков многолетних деформаций земляного полотна железных и автомобильных дорог в Забайкалье. Некоторые из полученных результатов были опубликованы [2].

В настоящем докладе освещается опыт геофизических исследований на так называемом «золотом километре»1, км км 6277-6278 на перегоне ст. Туринская – ст. Карымская железнодорожной линии Москва – Владивосток, в 80 км юго-восточнее ст. Чита, в 1996, 2005 и 2011 гг. (рис. 1)

1 «золотого» по затрачиваемым средствам в течение десятков лет на обеспечение проезда поездов

75

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 1. Участок многолетних деформаций Забайкальской ж.д., км 6277-6278, февраль 2011 г.

Главный ход Транссибирской магистрали представлен здесь [1] двухпутной линией 1 категории, с электровозной тягой, с установленной скоростью движения поездов 80 км/час, грузонапряженностью до 72 пар поездов в сутки. Земляное полотно под 1 путь отсыпано в 1902 г., под 2 путь – в 1914 г. и представлено насыпью высотой от 1 до 3,3 м из дренирующих грунтов. Местами с верховой стороны насыпь сливается с поверхностью рельефа.

Железная дорога проходит по предгорной местности, в 30-60 м от подошвы левого, южной экспозиции, склона долины р. Ингоды, по её высокой пойме в 500-1800 м от русла реки. Пойма ровная, поверхность её слабонаклонная на юг, местами заболоченная. В пределах участка в реку стекают два постоянно действующих ручья, которые зимой совместно с родниками, разгружающимися как субаквально в озера, так и субаэрально на дневную поверхность, образуют наледи.

Просадки железнодорожного полотна (рис.1), а также наледи с обеих сторон пути зимой отмечаются с 1949 г. по настоящее время – 63 лет. С 1969 г. введено ограничение скорости движения поездов до 40, иногда 15 км/час, которое также действует практически постоянно.

Основным мероприятием по лечению земляного полотна дороги является подъемка пути на балласт и его рихтовка (более 10 раз в год), хотя предпринимались многочисленные попытки стабилизировать участок и другими мероприятиями, которые приносили больше вреда, чем пользы, поскольку способствовали дальнейшему развитию термокарста на участке.

Обследования деформирующегося участка, «золотого» по затраченным средствам, и разработку противодеформационных мероприятий выполняли многие специализированные железнодорожные организации в 1957, 1970-71, 1975, 1991-92, 2005-12 гг. по стандартным методикам, в основном путем бурения мелких (до 10 м) скважин и проходкой шурфов, которые так и не установили мощность многолетнемерзлых пород под железной дорогой.

Впервые геофизические работы на участке проводились Новосибирским филиалом института Гипротранспуть в июле 1991 г. для определения глубины залегания подошвы земляного полотна, положения балластного слоя, уровня грунтовых вод, кровли и подошвы многолетнемерзлых пород. Выполнялось вертикальное электрическое зондирование по двум профилям по обеим сторонам железнодорожного пути на расстоянии 5 м от насыпи, с питающей линией АВ до 250 м, с шагом 20 м. Поставленные задачи не были решены, поскольку двух геофизических профилей с точками ВЭЗ оказалось недостаточно.

С учетом этого в 1996 г. ТрансИГЭМ и ЧитГУ уточнили задачи геофизических исследований2 и увеличили количество методов. Для оконтуривания зон развития многолетнемерзлых пород, определения условий залегания и мощности многолетнемерзлых пород, определения направления и скорости движения подземных вод, выявления зон разрывных нарушений был применен комплекс геофизических исследований в составе методов естественного электрического поля (ЕП), симметричного электрического профилирования на трех разносах (СЭП), вертикального электрического

2 Геофизические исследования на участке выполнялись под руководством ст.преподавателя ЧитГУ В.Ж.Добшинова

76

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

зондирования (ВЭЗ) и заряженного тела в гидрогеологическом варианте (МЗТ).

Геофизические исследования выполнялись по 4 профилям вдоль железнодорожного полотна и 3 линиям поперек пути. Профили проходили: с четной стороны пути по заболоченному участку, по междупутью, с нечетной стороны и у подножия склона в 30-60 м от насыпи. Две линии располагались поперек пути на деформирующихся участках, а одна линия – на стабильном участке.

Метод ЕП применялся с целью определения мест интенсивного водопритока и определения направления движения подземных вод. Работы выполнялись способом потенциала, прибором АЭ-72, с использованием неполяризующихся электродов и провода ГПСМПО, шагом 10 м. Объем работ составил 345 физических точек.

Метод СЭП использовался для оконтуривания массивов многолетнемерзлых пород и выявления зон разрывных нарушений. Работы выполнялись с шагом 20 м прибором АЭ-72. В качестве источника питания линии АВ использовались два блока батарей типа "элемент 373" по 80 вольт каждый. В питающей линии АВ и приемной – МN использовался провод ГПСМПО. В качестве заземлителей использовались металлические штыри длиной 1 м. Объем работ составил 485 точек.

ВЭЗ применялось для определения условий залегания и мощности многолетнемерзлых пород, а также выявления зон разрывных нарушений. Работы выполнялись симметричной установкой с питающей линией АВ длинной до 450 м, с шагом от 5 до 50 м аппаратурой АЭ-72. В качестве источника питания использовались 4 блока батарей типа "Орион" по 80 вольт каждый, питающая линия АВ была выполнена проводом ГПСМПО, приемная линия МN – проводом ГПСМП. В качестве электродов АВ использовались стальные штыри длинной 1 м, а MN – медные длиной 0.4 м. Объем работ составил 128 точек наблюдений.

Метод МЗТ применялся для определения направления и скорости движения подземных вод. Работы выполнялись на двух скважинах, пробуренных летом 1996 г., по сети лучевых профилей, разбитых через 45о. Регистрация сигнала производилась измерителем аппаратуры НПВП, питание линии осуществлялось генератором этой же аппаратуры. Один из питающих электродов опускался в скважину

– в водоносный горизонт, а второй – относился в "бесконечность" – на расстояние в 10 раз больше, чем глубина залегания водоносного горизонта. Перед зарядкой скважины поваренной солью проводилась съемка одной эквипотенциальной линии, которая проходила на расстоянии в 1.5-2 раза превышающем глубину засоления водоносного горизонта. Последующая съемка производилась через интервалы времени, которые зависели от гидрогеологических и технических условий.

Обработка и интерпретация полевых данных проводилась согласно инструкциям по видам работ. Количественная интерпретация результатов ВЭЗ проводилась на машинах типа IBM c использованием программы "SONET" и физических свойств, определенных Новосибирским филиалом института Гипротранспуть в предшествующие годы.

Были построены план изолиний мощностей многолетнемерзлых пород с отметками глубин до их кровли и геоэлектрические разрезы, на которых были выделены положительные и отрицательные аномалии, связанные с различным состоянием (мерзлым или талым), составом и влажностью (льдистостью) пород.

Данные геофизических исследований позволили целенаправленно и в оптимальном объеме выполнить буровые работы: пробурено 11 инженерно-геологических скважин глубиной от 8,8 м до 32 м

собщим объемом бурения 155,7 м с отбором проб грунта.

Врезультате комплексных геофизических и буровых работ на участке установлено наличие островной, сложной конфигурации, высокотемпературной многолетней мерзлоты. Глубина залегания кровли многолетнемерзлых грунтов изменяется от 0,5 до 5 м, местами с влажными рыхлыми отложениями мощностью до 6 м. Мерзлые грунты существенно различаются степенью льдистости, изменяющейся от 30 до 50%. Среднегодовая температура грунтов составляет 0,2 – -0,6оС. Максимальная мощность многолетнемерзлых грунтов составляет по геофизическим данным 1996 г. 35-40 м, а установленная бурением в 1996 г – 30 м.

Повторные геофизические исследования ТрансИГЭМ и ЧитГУ на участке в 2005 г. показали, что с низовой стороны насыпи на заболоченных участках положение кровли многолетнемерзлых пород практически не изменилось, тогда как с верховой стороны, под сухой песчаной бермой, кровля многолетней мерзлоты за 9 лет опустилась на 1,4 м.

В 2011 г. ТрансИГЭМ и ИНГГ СО РАН в третий раз исследовали участок геофизическими методами. Был применен метод вертикальных электрических зондирований в модификации электротомографии картирование границ распространения многолетнемерзлой толщи, определение глубины залегания кровли многолетнемерзлых пород и оценка их мощности.

77

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Геофизические исследования были проведены на восточной части участка деформаций по 4 профилям вдоль железной дороги и 12 линиям, располагающимся поперек пути. Профиль 1 находился с нагорной стороны насыпи, у её основания, профиль 2 располагался с подгорной стороны насыпи, в основании, профиль 3 проходил по оси пути, между рельсами, профиль 4 находился в 15-20 м от основания насыпи, в естественных условиях. Длина профилей 1-3 определялась длиной двух стандартных 24-канальных электроразведочных кос с межэлектродным шагом 5 м и составляла 235 м. На профиле 4 дополнительно было выполнено зондирование в режиме roll-along (нагоняющая) путем продолжения профиля переносом одной из кос. Таким образом, длина профиля 4 составила 355 м.

Поперечные линий зондирования располагались следующим образом. Линия 1находилась в области стабильного участка железной дороги, в зоне отсутствия многолетнемерзлых пород в основании насыпи, линия 2 располагалась в 50 м от линии 1, в начале участка деформаций, далее поперечные линии зондирования раскладывались на расстоянии 23-33 м друг от друга по всему деформированному участку пути, а линия 12 располагалась в области стабильного участка дороги, в удалении от 11 на 50 м. Длина поперечных линий зондирования определялась длиной одной стандартной 24-канальной электроразведочной косы с межэлектродным шагом 5 м и составляла 115 м.

Общий объём геофизических работ на участке в 2011 г. составил 2025 погонных метра или 441 физическое измерение.

По результатам электрических зондирований были построены трехмерная геоэлектрическая модель участка, погоризонтные планы удельного электрического сопротивления (планы изоом) и геоэлектрические разрезы по профилям и линиям. Построению планов предшествовала псевдотрехмерная инверсия данных электротомографии по поперечным линиям. Данные зондирований по каждому поперечнику подвергались двумерной инверсии в программе Res2Dinv, затем средствами этой программы генерировался файл для трехмерной инверсии данных по всему изучаемому объему с помощью программы Res3Dinv. Так как физически набор данных для трехмерной инверсии был составлен из отдельных профильных зондирований, то результат трехмерной инверсии будет не истинным, а мнимым. Поэтому, к результатам трехмерной инверсии применен термин «псевдо». Тем не менее полученная трехмерная модель в достаточной мере отражает геоэлектрические свойства объема изучаемой среды.

Анализ результатов геофизических исследований 2011 г. показал следующее.

1.Участок деформаций по общему уровню удельного электрического сопротивления разделяется на две зоны: преимущественно талую и преимущественно мерзлую зоны с границей по оси пути. Преимущественно талая зона располагается с нагорной стороны пути, преимущественно мерзлая зона - с подгорной. В мерзлой зоне выделяются западная и восточная области, разделенные аномалией пониженного сопротивления, вероятно связанной с образованием несквозного талика вследствие фильтрации подземных вод через тело насыпи.

2.Максимальная мощность многолетнемерзлых пород с нагорной стороны составляет 21 м. На

участке подтопления насыпи в верхней части разреза отмечается погружение кровли пород высокого сопротивления, интерпретируемое как формирование несквозного талика. В естественных условиях с низовой стороны предполагаемая мощность многолетнемерзлой толщи составляет 12-30 м.

3.На стабильных участках железнодорожного пути грунты в его основании характеризуются удельным электрическим сопротивлением 80-200 Ом∙м, что соответствует талым пескам разной степени водонасыщения. Грунты высокого (более 300 Ом∙м) сопротивления, интерпретируемые как многолетнемерзлые породы, развиты преимущественно со стороны четного пути, а область их распространения на сторону нечетного пути ограничивается зоной отепляющего влияния подземных вод

взоне дренажной канавы и подпрудного озера. В области развития деформации железнодорожного полотна на геоэлектрических разрезах в основании насыпи или в зоне её влияния выделяются характерные геоэлектрические структуры, интерпретируемые как чаша оттаивания.

4.Сопоставление данных бурения 1996 г. и электротомографии 2011 г. показало существенное изменении геокриологической обстановки за 15 лет: глубина залегания кровли многолетнемерзлых пород местами увеличилась с 4 до 7-7,5 м.

Таким образом, приведенные материалы убедительно свидетельствуют, что комплексное применение методов электроразведки позволяет в значительной степени решить основные инженерногеокриологические задачи при обследовании деформирующихся мест железных и автомобильных дорог в криолитозоне: установление условий залегания, мощности, состава, строения и льдистости многолетнемерзлых пород; оконтуривание таликов, установление их строения, состава пород и обводненности, установление глубины сезонного оттаивания и промерзания пород. В условиях железнодорожного пути, где имеются значительные электрические помехи и негоризонтально-слоистые

78

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

литологические и криогенные границы, наилучшие результаты могут быть получены при применении электроразведки методом двух составляющих (МДС) [3], предложенным, как известно, А.Н. Боголюбовым. Пока нам, к сожалению, не удалось применить МДС на изучаемом участке вследствие затруднений, обусловленных интенсивным движением поездов по Транссибу.

Список литературы

1.Кондратьев В.Г. Технико-экономическое обоснование стабилизации земляного полотна на сильнольдистых вечномерзлых грунтах одного из участков Забайкальской железной дороги //Ж.-д. транспорт. Сер. «Строительство. Проектирование»: ЭИ/ЦНИИТЭИ. 1997. Вып. 2. 55 с.

2.Кондратьев В.Г., Оленченко В.В., Дашинимаев З.Б. Опыт решения инженерно-геокрио-логических задач на железных и автомобильных дорогах Забайкалья с помощью электроразведки // Материалы Третьей Общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации». М.: ОАО «ПНИИИС», 2008. С. 112-115.

3.Инженерно-геологические изыскания для строительства. СП 11-105-97. Ч. IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов./Госстрой России. – М.: ПНИИИС Госстроя России, 1999. – 60 с.

79

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

КОМПЛЕКС ГЕОФИЗИКО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРИ СТРУКТУРНОГЕОЛОГИЧЕСКОМ КАРТИРОВАНИИ ДОКЕМБРИЙСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ В

СЕВЕРНОМ ПРИЛАДОЖЬЕ

Сергеев А.В., Кашкевич М.П., Савельев И.Н., Петров Д.К.

Санкт-Петербургский государственный университет

При геологическом картировании на территориях, перекрытых четвертичными отложениями, ключевую роль играют геофизические методы исследований. Высокоинформативными при изучении докембрийских комплексов в Южной Карелии оказываются методы электроразведки в комплексе с магниторазведкой и геохимическим опробованием.

Северное Приладожье является полигоном для проведения учебных практик студентов геологического факультета СПбГУ. Развитие Импилахтинского учебного полигона подразумевает поиск и изучение модельных объектов, пригодных для обучения студентов различных геологических специальностей, и использование полученных наработок при решении практических задач геологического картирования, поиска и разведки месторождений полезных ископаемых. Особенно актуальным это становится в свете решения МПР России, в соответствии с которым данная территория стоит в планах на геологическое доизучение площадей в масштабе 1:200 000 (лист Р-36-20).

Особенностью проведения практик является обучение комплексному подходу к решению различных геологических задач. Так, студент, специализирующийся в области структурногеологического картирования, должен, по нашему мнению, уметь применять комплекс геофизических и геохимических методов, позволяющий на территориях с недостаточной обнаженностью выделять основные разновидности горных пород, прослеживать зоны тектонических нарушений, локализовывать потенциально перспективные рудоносные площади.

Рис. 1. Схема геологического строения юго-западной части учебного полигона СПбГУ, Северное Приладожье (по М.А. Коротаеву и др., Невская экспедиция, 1978 г.). Участки детальных работ: I – Центрально-Импилахтинское рудопроявление,

II – участок Хиппола, III – участок оз. Руокоярви

80

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Наиболее информативным для решения поставленных задач на полигоне оказался комплекс экспрессных методов, включающих в себя электропрофилирование методом сопротивления (на детальных участках – электротомография), естественного электрического поля (ЕП), магниторазведка и геохимическое опробование вторичных ореолов. В отдельных случаях для определения глубины залегания фундамента в условиях мощных четвертичных отложений использовали вертикальные электрические зондирования (ВЭЗ).

Основной чертой геологического строения района является развитие в его пределах куполовидных структур, представленных позднеархейскими орто-плагиогнейсами. Эти глыбы «фундамента» имеют овальную в плане форму и обрамляются глубоко метаморфизованными толщами сортавальской и ладожской серий, имеющими протерозойский возраст (рис.1).Складки обрамления осложнены флексурами [5, 6]. Типичный разрез обрамления куполов представлен следующей последовательностью пород (снизу вверх по разрезу):

1)скарнированный нижний карбонатный горизонт;

2)амфиболиты питкярантской свиты Сортавальской серии;

3)скарнированный верхний карбонатный горизонт;

4)терригенные флишоидные породы Ладожской серии.

На территории полигона широко распространены разрывные нарушения, в зависимости от возраста и условий образования, характеризующиеся определенным набором геофизических и геохимических признаков.

Комплекс методов был применен при изучении наиболее интересных в геологическом плане участков – обрамлении гранито-гнейсовых куполов. На детальных участках (рис.1) вкрест простирания структур была выполнена съемка масштаба 1:10000.

Результаты работ позволили выявить четкую корреляцию геофизических и геохимических полей с геологическим строением территории. Высокие значения кажущегося удельного сопротивления (более 1000 Омм), нормальный уровень магнитного поля и потенциала ЕП, повышенные содержания Zr и Sr в почвах характеризуют гранито-гнейсовые купола (зона А, рис.2).

Контакт пород купола с амфиболитами питкярантской свиты чаще всего трассируется резким уменьшением удельного сопротивления (до 100 Омм), аномалиями ЕП (-400 мВ), небольшим увеличением магнитного поля, положительными аномалиями халькофильных элементов с одновременным падением концентраций Zr и Sr. Подобный характер геофизических и геохимических аномалий указывает на присутствие скарнированных карбонатных горизонтов с сульфидной вкрапленностью, на отдельных участках маркирующих подошву питкярантской свиты (зоны Б1-3).

Четко проявляются в физических и химических полях углеродсодержащие амфиболиты, довольно часто встречающиеся в виде прослоев разной мощности в породах питкярантской свиты. Для них характерны интенсивные аномалии ЕП (около – 600 мВ), повышенные содержания ванадия. Не всегда эти прослои отражаются на графиках кажущегося удельного сопротивления, что объясняется их малой мощностью и сильной анизотропией электрических свойств (зоны Б1-3).

Сложной задачей оказалось отличить углеродсодержащие амфиболиты от графитизированных докембрийских разломов. Последние представляют интерес как для тектонических реконструкций, так и в качестве рудоподводящих каналов [2, 4].Один из отличительных признаков графитизированных разломов – более интенсивные (до -1000 мВ) аномалии ЕП (зона В), что, по-видимому, объясняется их большей протяженностью в глубину [3, 7]. Выполненный нами изотопный анализ углерода также не позволяет отличить эти два объекта: δ С13 в углеродсодержащих амфиболитовых сланцах -21,88, в разломе -22,73, что свидетельствует об органическом происхождении углерода, который переоткладывался в ходе докембрийской истории региона. Для идентификации разломов используются геоморфологические признаки и геологические наблюдения: выделяют зоны интенсивной меланитизации, обохренности, раздробленности пород, угловые несогласия элементов залегания разломов и вмещающих пород.

Контрастными в физических полях оказываются зоны пирит-пирротиновой пропилитизации, приуроченные к ослабленным тектоническим зонам в протерозойских сланцах. Они отмечаются, прежде всего, интенсивными аномалиями магнитного поля (более 3000 нТл) и электропроводности (десятки омметров на фоне нескольких тысяч омметров), но при этом фоновыми значениями концентраций химических элементов и потенциала ЕП (зоны Г1-2).

Полученные результаты позволяют применять вышеуказанный комплекс методов для картирования докембрийских образований Северного Приладожья, перекрытых четвертичными отложениями.

81

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

А

Рис.2. Результаты геохимического опробования, комплексных геофизических работ и схематический геологический разрез участка Руокоярви (восточное обрамление Кокасельского

купола)

82

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Список литературы

1.Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 ( новая серия). Лист Р- (35)-37- Петрозаводск. Объяснительная записка. / Гл. ред. Ю.Б. Богданов, отв. ред. К.Э. Якобсон. СПб.: Изд-во СПб картфабрики ВСЕГЕИ. 2000. 322с

2.Балабан С.Е., Черемазова Е.В., Кашкевич М.П., Сергеев А.В. Опыт применения комплекса геофизических и геохимических методов на территории Центрально-Импилахтинского рудопроявления // II Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов памяти академика А.П. Карпинского, 8-11 февраля 2011 г: Материалы конференции. – СПб, ФГУП «ВСЕГЕИ», 2011 г., раздел 8 «Геофизика и геофизические методы поисков полезных ископаемых», с. 1-5.

3.Кашкевич М.П. Геофизический образ графитизированных глубинных разломов // автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геол.-мин. наук, 2000 г.

4.Кашкевич М.П., Сергеев А.В., Балабан С.Е., Савельев И.Н. Поисковые критерии сульфидного скарнового оруденения в Северном Приладожье // Записки Горного института. СПб.: Изд. СПГГИ (ТУ), в печати.

5.Матреничев В.А., Степанов К.И., Пупков О. М.. Стратиграфия и особенности вещественного состава раннепротерозойских метавулканитов Сортавальского поднятия (Северное Приладожье) // Вестник СПбГУ. Сер. 7, 2004, вып. 2. 31-44с.

6.Ранний докембрий Балтийского щита. / Отв. ред. В.А. Глебовицкий.-СПб.: Наука, 2005. 711с.

7.B. Ronald Frost et al. Grain boundary graphite in rocks and implications for high electrical conductivity in the lower crust // Nature, 340, 1989, p.134-136.

83

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГЛУБОКОВОДНЫХ ГИДРОТЕРМ ОКЕАНОВ, ФИКСИРУЕМЫХ ГИДРОФИЗИЧЕСКИМИ И

ГЕОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Путиков О.Ф. 1, Касьянкова Н.А. 2

1 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, 2 ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга», Санкт-Петербуг

Аннотация

В данной работе обоснована физико-математическая модель ореолов рассеивания гидротерм дна океанов и приведены результаты ее сопоставления с имеющимися экспериментальными гидрофизическими и геоэлектрохимическими данными изучения вод океанов.

Summary

Physical and mathematical models of plumes of high-temperature hydrothermal venting through the ocean floor are presented in the article. The results of numerical computation of the model are compared with field sea water studies.

Ведущую роль при поисках сульфидных руд, связанных с гидротермами дна океанов, играют гидрофизические (изучение температуры, мутности вод) и геоэлектрохимические методы (исследование естественного электрического поля – ЕП, определение pH, Eh вод и использование ионоселективных электродов) изучения ореолов рассеяния гидротерм дна океанов.

Согласно экспериментальным данным [1] ореолы рассеяния высокотемпературных гидротермальных источников в океанах, в общем случае, имеют двухслойное строение. Поступая в водную толщу со дна океана, горячий гидротермальный раствор (до 412°) существенно отличается по плотности от вмещающих вод. Соответственно, в нижнем слое происходит рассеяние гидротермального вещества преимущественно в вертикальном направлении под действием сил плавучести. Эта часть гидротермального ореола рассеяния по типу его формирования безусловно относится к выявленным в других условиях струйным ореолам рассеяния [2]. В верхнем слое основное рассеяние вещества происходит в горизонтальном направлении под действием морских течений. Предложенная физикоматематическая модель описывает распределение содержания компонента ореола гидротермы в двухслойной среде от точечного источника растворенного вещества мощностью q, расположенного на дне океана. В первом приближении можно положить скорость течения внутри слоя постоянной, турбулентную диффузию в нижнем слое – изотропной, в верхнем слое – анизотропной. Переносом вещества за счет молекулярной диффузии можно пренебречь по сравнению с турбулентным переносом [3]. Во многих случаях в нижнем слое водной толщи океана можно пренебречь диффузией растворенного вещества по вертикали по сравнению с конвективным его переносом, а также пренебречь конвективным переносом в горизонтальном направлении. В нижнем слое мощностью H вводятся вертикальная скорость конвективного переноса υ1 (горизонтальная скорость u1=0) и коэффициент турбулентной диффузии K1. В верхнем слое вводятся вектор скорости конвективного переноса в горизонтальном направлении u2 (в результате остывания гидротерм можно пренебречь конвективным переносом в вертикальном направлении υ2=0), и два коэффициента турбулентной диффузии: в горизонтальной плоскости K2, по вертикальной оси - K2z. В обоих слоях воды наблюдается переход растворенного вещества в твердую фазу путем выпадения в осадок или сорбции на взвешенных частицах.

В этом случае система дифференциальных уравнений для концентраций С1 (нижний слой) и С2 (верхний слой) для стационарного ореола рассеяния точечного источника растворенного вещества q, расположенного на дне океана, и граничных условий имеет вид:

84

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

На рис. 1, 2 приведены экспериментальные данные по изучению строения ореолов рассеяния гидротерм дна океана и соответствующие теоретические модели распределения концентрации растворенных компонентов.

Рис. 1. Результаты подбора расчетного ореола рассеяния к экспериментальным

данным в районе 14°45΄ с. ш. САХ [5]. Параметры модели υ1=3∙10-5 м/с, K1=10-4 м2/с, κ1=10-5 с-1, u2=2∙10-4 м/с, K2=6∙10-5 м2/с, κ2=10-8 с-1,

Распределение потенциала естественного электрического поля в районе 14°45΄ с.ш. САХ [5] (рис. 1) имеет форму ореола рассеяния растворенного компонента в двухслойной изотропной среде (K2=K2z).

На рис. 2 приведены экспериментальные гидрофизические данные, полученные в районе хребта Хуан-де-Фука (Тихий океан, [1]) и соответствующая им теоретическая модель гидротермального ореола рассеяния. Распределение коэффициента ослабления света соответствует двухслойному ореолу рассеяния с анизотропным верхним слоем, в котором горизонтальная составляющая коэффициента турбулентной диффузии в 1000 раз больше вертикальной составляющей.

Рис.2. Результаты подбора расчетного ореола рассеяния к экспериментальным данным в

85

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

районе хр. Хуан-де-Фука (Тихий океан) [1].

а) Теоретический ореол. Параметры модели: υ1=0.003 м/с, K1=0.01 м2/с, κ1=10-7 с-1, u2=0.001 м/с, K2=2 м2/с, K2z=0.002 м2/с, κ 2=10-7 с-1, H=140 м.

б) Экспериментальный ореол по [1]. 1 - изопикны; 2-4 - значения коэффициента ослабления света, м-1: 2 - более 0.040, 3 - 0.025-0.040, 4 - 0.010-0.025.

Предложенная физико-математическая модель глубоководных гидротерм океана достаточно удовлетворительно описывает различные типы их и может быть использована при обосновании методики гидрофизических и геоэлектрохимических поисков связанных с ними залежей сульфидных руд.

Список литературы

1.Гидротермальные сульфидные руды и металлоносные осадки океана. /Гос. ком. Рос. Федерации по геол. и использ. недр, Всесьюзн. научн.-исслед. ин-т геол. и минерал. ресурсов Мирового океана. – Спб: Недра, 1992. – 278 с.

2.Путиков О.Ф., Духанин А.C., Машьянов Н.Р. К обоснованию физико-математической модели струйных ореолов рассеяния // Российский геофизический журнал. – 1994. - №2.- С.5-10. 37.(2,3)

3.Озмидов Р.В. Диффузия примесей в океане. – Л.:Гидрометеоиздат, 1986. – 280 с.

4.Путиков О.Ф., Судариков С.М. Физико-математическая теория ореола рассеяния гидротермального источника в океане// Записки горного института. – 2002. – т.151. – С.177-188.

5.Sudarikov S.M., Roumiantsev A.B. Structure of hydrothermal plumes at the Logachev vein field, 14°45΄N, MidAtlantic Ridge: evidence from geochemical and geophysical data. Journal of Volcanology and Geothermal research. – 2000. – N 101. – Pp.245-252.

86

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА ИОНОСЕЛЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИ ПОИСКАХ НЕФТЕГАЗОВЫХ ЗАЛЕЖЕЙ В БАРЕНЦЕВОМ И

КАРСКОМ МОРЯХ

Посвящается 40-летию Морской Арктической геологоразведочной экспедиции (МАГЭ, г. Мурманск)

Холмянский М.А. 1, Павлов С.П. 2, Путиков О.Ф. 3

1 ФГУП «ВНИИОкеангеология» им. И.С. Грамберга, Санкт-Петрбург, 2 МАГЭ, Мурманск, 3 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург

Аннотация

Теоретически и экспериментально обосновано применение геоэлектрохимического метода ионоселективных электродов непрерывной регистрации при движении судна микрокомпонентов углеводородов – тяжелых металлов для поисков нефтегазовых залежей на шельфе.

Summary

Application of the geoelectrochemical ionoselective method of heavy metal registration for prospecting of oil and gas deposits on shelf is founded.

Основной метод поисков нефтегазовых залежей – сейсморазведка позволяет только выделить структуры, благоприятные для нахождения таких залежей. Определение наличия нефтегазовых залежей в этих структурах и поиски неструктурных залежей остается нерешенной задачей. Однако, положение изменилось после открытия группой исследователей (Рысс Ю.С. и др. [2]) неизвестного ранее явления – близвертикально вытянутых струйных ореолов рассеяния (в частности, тяжелых металлов – микрокомпонентов залежей углеводородов), несущих информацию о глубокозалегающих месторождениях. Для регистрации этих ореолов используют геоэлектрохимические методы (ЧИМ, МДИ, МПФ, ТМГМ). Имеется ряд примеров на суше, когда структуры, выделенные по данным этих методов как нефтегазоносные или «пустые, оказались таковыми и после проверочного бурения.

При работе на шельфе отбор проб донных отложений для реализации упомянутых геоэлектрохимических методов требует остановки судна, что замедляет и удорожает исследования. Авторами был предложен и теоретически обоснован для поисков нефтегазовых залежей на шельфе геоэлектрохимический метод ионоселективных электродов [1], позволяющий производить геохимическую съемку при движении судна (без отбора проб). Конечно, условия работ неизмеримо хуже – разбавление концентраций металлов в 100-1000 раз по сравнению с работами на суше, влияние турбулентного перемешивания вод и морских течений. Однако, опытными работами в 2010 г. над известными газоносными структурами в Карском море – Русановской и Ленинградской установлено как наличие аномалий Pb и Cu в морских водах над краевыми частями залежей, так и увеличение концентраций этих металлов с приближением к морскому дну.

Это позволило в 2011 г. выполнить непрерывную регистрацию активности ионов Cu, Pb, S в морских водах по 9 профилям над Воронинской структурой и по 13 профилям над Обручевской структурой в Карском море. Наличие близкольцевых аномалий Pb и S позволяют сделать вывод о наличии залежей углеводородов в этих структурах (рис. 1, 2, 3, 4).

Таким образом:

1)открыто неизвестное ранее явление – экспериментально показано наличие «струйных» ореолов рассеяния в водной толще шельфа над нефтегазовыми залежами,

2)разработана аппаратура и методика геоэлектрохимического метода ионоселективных электродов для регистрации этих ореолов.

Другими словами обосновано применение нового геоэлектрохимического метода для поисков в движении (без отбора проб) как структурных, так и неструктурных нефтегазовых залежей на шельфе.

Список литературы

87

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

1.Путиков О.Ф. Основы теории нелинейных геоэлектрохимических методов поисков и разведки. СанктПетербург. С.-Петерб. гос. горный ин-т (техн. ун-т). 2009. 534 с.+3 вклейки.

2.Струйная миграция вещества в образовании вторичных ореолов рассеяния/Ю.С. Рысс, И.С. Гольдберг, С.Г. Алексеев, А.С. Духанин//ДАН. 1987. Т.297. №4. С.956-958.

Рис. 1. Изолинии приращений потенциала ионоселективных электродов Pb на полигоне 1 (Воронинская структура)

Рис. 2. Изолинии приращений потенциала ионоселективных электродов S на полигоне 1 (Воронинская структура)

88

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 3. Изолинии приращений потенциала ионоселективных электродов Pb на полигоне 2 (Обручевская структура)

Рис. 4. Изолинии приращений потенциала ионоселективных электродов S на полигоне 2 (Обручевская структура)

89

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

РАСШИРЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСНОГО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА

Болтинцев В.Б., Капарулина Е.С., Андрианов С.В.

ЗАО НПФ «Геодизонд», Санкт-Петербург, geologspb@gmail.com

Аннотация

Определение диэлектрических свойств сложных грунтов является очень важной задачей, для решения которой проводились изыскания геофизическим методом электромагнитного импульсного сверхширокополосного (ЭМИ СШП) зондирования путем определения диэлектрических свойств сложных пород в забое (выполнение требований ГОСТ 25495–82 «Породы горные. Метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь»).

Summary

The determination of dielectric properties of complex soils is a very important task. The geophysical survey with the subsurface electromagnetic pulse (EMI) ultra wideband (UWB) sensing method was carried out by determining the dielectric properties of complex rocks at the subsurface space. The requirements of GOST 25495-82 «Mountain rock. Method for determining the dielectric permittivity and loss tangent» were implemented.

Последние сорок лет для решения задач градостроительства широко привлекается георадиолокация – технология, использующая при изучении подземного пространства принципы радиолокации (активно разрабатывается в США, Франции, Швеции, России и др.).

Метод электромагнитного импульсного (ЭМИ) сверхширокополосного (СШП) зондирования [1, 2], как один из методов георадиолокации, нашел применение в инженерной геологии и строительной индустрии за счет увеличения глубины исследований.

Основной практической задачей, решаемой методом ЭМИ СШП зондирования при идентификации подповерхностных структур, является определение глубины залегания слоя или объекта, которую находят по формуле:

R = 2c× × Dεtý' ,

где c – скорость света; Δt – задержка зондирующего сигнала; ε'э– эффективное значение комплексной диэлектрической проницаемости:

ε * (ω ) = ε ý' (ω ) × [1- j × tgδ (ω )], где tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

Определение ε'э является в общем случае сложной задачей. Основным нормирующим документом для ε'э является ГОСТ 25495–82 «Породы горные. Метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь», который распространяется на твердые горные породы.

Если на 90% территории РФ первый слой подстилающей среды – влажные грунты, электрические свойства которых неплохо изучены, то влияние влажности и минерального состава скелета породы в забое на электрические свойства породы изучены слабо.

В ЭМИ полях особенно важно учитывать наличие влажных сильнопористых песчано-глинистых грунтов как составляющих горные породы, поскольку наибольшим изменениям подвержена жидкая фаза среды [3, 4].

Особенности частотной дисперсии электрических свойств грунтов в горных породах принято делить на две группы:

–к первой относят данные, полученные на сухих и слабовлажных образцах, для которых характерно монотонное понижение с ростом частоты и приближение к высокочастотной асимптотике уже на частотах 104–105 Гц;

–ко второй относят данные для более влажных образцов (Wν>1%), для которых наблюдается область дисперсионного перехода ε'э с выходом на высокочастотную асимптотику. Для этой группы характерна более сильная дифференциация ε'э в зависимости от Wν в области высокочастотных (≥1 МГц)

90

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

значений – в 6–8 раз.

Данные для образцов глин свидетельствуют, что для них область дисперсионного перехода сдвинута в сторону высоких частот и находится примерно в диапазоне 107–108 Гц. С увеличением влажности (Wν ≥2–3%) наблюдается значительное возрастание крутизны кривых ε'э в области дисперсионного перехода, что соответствует сужению диапазона времен релаксации – возрастанию узкополосности в отраженном ЭМИ СШП сигнале. При дальнейшем увеличении влажности происходит уменьшение крутизны спада ε'э, т. е. возрастание электрической неоднородности среды и расширение диапазона времен релаксации, но не столь сильное, как при малой влажности.

Рис. 1. Зависимость ε'э песчано-глинистого грунта при объемной влажности Wν на различных частотах (базовая эталонная кривая Delaney – Arcone [9])

На рис. 1 приведена зависимость ε'э песчано-глинистого грунта от объемной влажности Wν , % в частотном диапазоне нескольких октав (50–500 МГц). Заметное возрастание ε'э имеет место только при значительной влажности (появлении относительно «свободной» воды с ε'э ~80). Начиная с ~0,5 МГц преобладает релаксационный компонент ориентационной молекулярной (дипольной) поляризации. Эта закономерность подтверждается во влагометрии талых эоловых песков [5, 6] и глинистых грунтов [10] на частоте ~500 МГц (O и на рис. 1). Объединяя результаты экспериментов [5, 6] по определению ε'э мелкозернистого кварцевого песка с данными лабораторных измерений [5–10] для эолового песка и лесса, электрических свойств мерзлых песчано-глинистых пород в переменных электромагнитных полях [9] можно составить общую картину частотной дисперсии песчано-глинистых грунтов при положительных температурах, а именно: в интервале частот <106 Гц

частотная дисперсия обусловлена сменой доминирования макродипольного механизма поляризации дипольно-релаксационным (частоты 106–107 Гц).

Для глинистых влажных грунтов общая картина частотной дисперсии ε'э считается сходной. Сопоставление имеющихся данных указывает на наличие в глинах двух областей частотной дисперсии, отличительными чертами которых являются сдвиг интервала первой области дисперсии (<106 Гц) к более высоким частотам и большие (по сравнению с песком при одинаковых влажностях) значения ε'э в интервале частот 107–109 Гц – для второй области. Максимум tgδ определяется эффективным временем релаксации грунта, которое, в первую очередь, связано с макродипольной поляризуемостью воды.

Таким образом, электрические свойства песчано-глинистых грунтов в переменных электромагнитных полях определяются их влажностью. Влияние минерального состава имеет второстепенный характер, т. е. ε'э определяется содержанием и состоянием незамерзшей воды, чья частотная зависимость дает возможность судить о степени дисперсности грунта.

При ЭМИ СШП зондировании таких грунтов Фурье образ отраженного сигнала всегда лежит между кривыми 106 Гц и 500 МГц (кривые O и на рис. 1), поэтому задача по определению ε'э может быть сведена к ее прямым измерениям в подземном пространстве с последующим прогнозом по кривой Delaney – Arcone (рис. 1).

Принципиальное значение необходимости знания ε'э состоит в следующем. Ошибка в определении глубины ΔR, найденная через вариационное исчисление:

91

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

истинное значение глубины; ε'э – вариация (отклонение) значения диэлектрической проницаемости от истинной.

Анализ последней формулы показывает, что первое слагаемое может не превышать 30 см и является Const, т. е. при ε'э ≈ 16 и R ≈ 100 м:

где dim(R) = см – размерность значения глубины; dim(Δ ε'э) = отн. ед.

Пример. При Dε ý' =1, ε'э ≈ 16 и R ≈ 100 м, ΔR ≈ +(10–50) см при Dε ý' =5, ε'э ≈ 16 и ΔR ≈ 100

м,

ΔR ≈ -70 – +130 см. Таким образом, влияние очевидно.

Для решения задачи по минимизации ε'э необходимы измерения в широком диапазоне частот в реальных условиях (в условиях забоя). Установка, реализующая подобные измерения, должна содержать методику, соответствующую требованиям ГОСТ 25495–82 «Породы горные Метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь», который распространяется на твердые горные породы. Макет такой установки на базе измерителя комплексных коэффициентов передачи ОБЗОР–103, позволяющий определять ε'э и tgδ сложных грунтов, представлен на рис. 2. Измерения проводятся по методу Вольперта–Смита. Результаты измерений погонных параметров по столбцам: № измерений по порядку; значение частоты, на которой проводилось измерение; величина проводимости на данной частоте; изменение проводимости по отношению к значению на предыдущей частоте; значение индуктивности или емкости на данной частоте. Справа показано положение точки значения частоты на диаграмме Вольперта – Смита, соответствующей грунту с заданной влажностью.

Рис. 2. Установка для определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь на базе измерителя комплексных коэффициентов передачи ОБЗОР-103:

справа внизу– электронные весы; слева – конденсатор, заполненный влажным песком; на приборе ОБЗОР-103 – калибровочная мера КСВН. На экране дисплея выведена диаграмма Вольперта–Смита со столбцами параметров влажного песка

На рис. 3 показаны результаты измерений применительно к крупнозернистому песку. Базовая эталонная кривая Delaney–Arcone (рис. 1) показана сплошными серыми линиями: верхняя кривая – 500

92

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

МГц, нижняя кривая – 1 МГц. По оси абсцисс на рис. 3 отложены значения объемной влажности (%), по оси ординат – значения эффективной диэлектрической проницаемости ε'э. Вертикальными линиями представлены значения ε'э для конкретного значения Wν, %, диапазон изменений Wν,% лежит от 3,5% до 18,9%. Геометрическими фигурами на вертикальных линиях обозначены значения, измеренные на конкретных частотах. Осредненные по частоте значения ε'э для указанного диапазона влажности представлены графиком (сплошная черная линия), который лежит внутри кривой Delaney–Arcone.

Рис. 3. Зависимость ε'э крупнозернистого песка от объемной влажности Wν, %

Очевидно, что для крупнозернистого песка при влажности Wν=12,2% вариация по глубине составит:

составит величину ≈ 1,7% для ε ý' = 12 × [ε DA (1ÌÃö ) + ε DA (500ÌÃö )] , здесь ε DA (1ÌÃö ) и

ε DA (500ÌÃö ) – значения эффективной диэлектрической проницаемости кривой Delaney–Arcone на частотах 1 МГц и 500 МГц.

Однако, измеренные величины ε'э (кривая «Сред. εэфф.», рис. 3) имеют значение ( ≈ 8,4), близкое к значению диэлектрической проницаемости кривой Delaney–Arcone на частоте 1 МГц – ε DA (1ÌÃö ) ,

следовательно, вариация по глубине должна быть меньше и составит ≈ -0,2 - +1,2%. Для Wν =18,79% вариация ΔR19,6% составит ≈ 1,18%; измеренные значения ε'э (кривая «Сред. εэфф.», рис. 3) ≈ 12,6, поэтому вариация составит ≈ -1,44 – +0,28%.

Очевидно, что вариация глубины, обусловленная применением кривой Delaney–Arcone, может быть уменьшена путем прямых измерений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь грунтов в подземном пространстве.

Попытки лабораторных измерений, проводившихся с грунтами из строящихся тоннелей в Сочи, показали высокую зависимость влажности отобранных в тоннелях грунтов от изменения температурновлажностного режима, связанного с их переносом из тоннеля в лабораторию.

Таким образом, определение эффективного значения диэлектрической проницаемости позволяет успешно решать задачу определения глубины положения объекта.

Список литературы

1.Пат. № 2144682 РФ. Способ радиолокационного зондирования геологического разреза / Болтинцев В.Б. № 99104111/09.Опубл. 20.01.2000. Бюл. № 2.

2.Болтинцев В. Б., Ильяхин В.Н., Безродный К.П. Метод электромагнитного импульсного сверхширокополосного зондирования подстилающей среды // Журнал радиоэлектроники. 2012. № 1. 39 с.

3.Заборовский А.И., Семенова С.Г., Фролов А.Д. К природе частотной дисперсии электрических свойств влажных осадочных пород // Вестн. МГУ. Сер. Геол. 1968. № 4. С. 29–38.

93

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

4.Федюкин И.В. Зависимость диэлектрических параметров влагосодержащего песка от гранулометрического состава // Изв. Вузов. Геология и разведка. 1977. № 8. С. 124–127.

5.Delaney A.J., Arcone S.A. Laboratory measurements of soil electric properties between 0,1 and 5 GHz/ USA CRREL. Rep. 82–10. 1982. 8 p.

6.Loon W.K.P. van. Heat and mass transfer in frozen porous media. Ph. D. Thesis, AUW. Netherlands. 1991. 200 p.

7.Oliphant J.L. A model for dielectric constants of frozen soils. Freezing and Thawing of soil – water system// Amer. Soc. of Civil. Eng. N.Y. 1985. P. 45–56.

8.Доржиев В.С., Адвокатов В.Р., Цыдыпов Ч.Ц. Исследование сезонных изменений электрических свойств подстилающей среды в диапазоне 10–1000 кГц // Радиотехника и электроника. 1977. № 9. Т. 22. С. 1890– 1894.

9.Фролов А.Д. Электрические свойства мерзлых песчано-глинистых пород в переменных электромагнитных полях // Изв. Вузов. Геология и разведка. 1975. № 1. С. 119–122.

10.Цыдыпов Ч.Ц., Цыденов В.Д., Башкуев Ю.Б. Исследование электрических свойств подстилающей среды. Новосибирск: «Наука», 1979. 170 с.

94

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

РЕЗУЛЬТАТЫ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ЦЕЛЬЮ КАРТИРОВАНИЯ УЧАСТКОВ УТЕЧКИ ВОДЫ ИЗ ТРУБОПРОВОДОВ И ЧЕРЕЗ СТЕНКИ

РЕЗЕРВУАРОВ ЧИСТОЙ ВОДЫ НА СЕВЕРНОЙ ВОДОПРОВОДНОЙ СТАНЦИИ

Волынин А.Ф.

ГУП «Водоканал», Санкт-Петербург

Введение

Работа выполнена с целью выявления мест утечки воды через стены резервуаров чистой воды (РЧВ), а также на водопроводных трубах большого диметра (1420 мм), окружающих РЧВ.

Геофизические исследования выполнены на двух участках - РЧВ 1 – 4 и РЧВ 5 – 7.

Характеристика объектов исследования.

Резервуары чистой воды (РЧВ) представляют собой железобетонные сооружения шириной 48.4 длиной 108 м и высотой 5.8 м каждый, обвалованные грунтом и заглубленные на 4 м ниже земной поверхности. По данным бурения грунты, вмещающие резервуар, представлены современными техногенными насыпными отложениями (засыпка) мощностью до 6 м, верхнечетвертичными суглинками мощностью до 3 м, залегающими на супесях.

Методика геофизических работ.

Комплекс методов включал в себя трехразносное электропрофилирование, профильное, по двум профилям вдоль внешних стен РЧВ, вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) на участках предполагаемых протечек, выделенных в результате электропрофилирования, электромагнитную съемку вдоль водопроводных труб. На участках предполагаемых утечек воды выделенных в результате работ в отдельных случаях выполнялось проверочное бурение. Перед началом трехразносного профилирования выполнялись ВЭЗ с целью изучения разреза электросопротивлений грунтов на участках, примыкающих к стенам резервуаров, для определения оптимального расположения профилей и разносов для электропрофилирования. На рис. 1 приведен план РЧВ 1 – 4 с расположением профилей электроразведочных измерений и результатами их проведения.

Результаты геофизических работ.

В результате трехразносного электропрофилирования проведенного по двум параллельным профилям, вдоль стен резервуаров с разносами 6, 8 и 10 м получены разрезы эффективных электросопротивлений грунтов для интервала глубин, где наиболее вероятно появление протечек Места вероятных протечек выделены на участках минимумов электросопротивлений. Наиболее уверенно они выделяются при наличии минимумов на двух параллельных профилях. Результаты электропрофилирования по одному из участков стены РЧВ приведены на рис.2. В результате электропрофилирования выделено 30 участков обводненных грунтов, предположительно связанных с утечками воды.

Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) выполнено на выделенных в результате электропрофилирования участках по методике, предложенной Б.Г. Сапожниковым (1), так как очень велико влияние помех и измерения при других модификациях установок ВЭЗ провести невозможно. Результаты обработки и интерпретации ВЭЗ представлены на рис. 3. В результате проведения ВЭЗ на участке РЧВ 1-4 выделено 13 участков предполагаемых утечек воды, на участке РЧВ 5-7 выделено 15 участков предполагаемых протечек. Электромагнитная съемка на частоте 625 Гц выполнена с электрической антенной из комплекта аппаратуры ЗРА на двух участках стальных трубопроводов с высокими электрокоррозионными свойствами грунтов (удельное пластовое электросопротивлене менее 10 Ом*м). На рис. 4 приведены результаты этой съемки по профилю 9 вдоль западной стены РЧВ-6. Выделены три локальных участка нарушения изоляции и электрокоррозии трубопроводов с предполагаемыми утечками воды.

95

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 1. Результаты электроразведочных работ на участке РЧВ 1-4

Условные обозначения: 1 – профили трехразносного электропрофилирования; 2 – профили электрозондирования; 3 – участки предполагаемых протечек, выделенные по одному профилю; 4 - – участки предполагаемых протечек, выделенные по двум профилям; 5 – участки предполагаемых протечек, подтвержденные при проведении ВЭЗ; 6 –интервал глубин залегания водонасыщенных грунтов на участках предполагаемых протечек.

96

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 2. Результаты трехразносного электропрофилирования на участке южной стены РЧВ 3 -4

Условные обозначения: 1 – предполагаемые места утечек воды

Рис. 3. Результаты ВЭЗ на участке южной стены РЧВ 3 -4

Условные обозначения: 1 – насыпные грунты; 2 – пески; 3 – пески влажные; 4 – пески водонасыщенные; 5 – пески сильно обводненные; 6 – супеси; 7 – суглинки; 8 – удельное пластовое электросопротивление грунтов (Ом*м)

97

Материалы X-го международного геофизического научно-практического семинара

Рис. 3. РЧВ 5-7. Результаты электромагнитной съемки по профилю 9

Условные обозначения: 1- участки пониженных электросопротивлений грунта; 2 – участки нарушений изоляции трубопроводов с предполагаемыми утечками воды.

В результате проверки бурением на двух участках у восточной стены РЧВ-4 и южной стены РЧВ-3 установлены притоки воды в грунт выше уровня грунтовых вод. В результате проверки трубопровода на профиле 9 установлены нарушения изоляции трубопровода на выделенных электромагнитной съемкой участках.

Выводы

Использованный для выявления утечек комплекс электроразведочных методов позволил выделить места предполагаемых утечек воды через стены РЧВ и на трубопроводах. При проверке на двух выделенных участках установлены притоки воды в грунт выше уровня грунтовых вод, связанные с утечками.

Список литературы

1. Б.Г. Сапожников. Новая установка ВЭЗ для гидрогеологических исследований на средних глубинах. Геоэкология, 2005, № 5, с 1 – 9.

98