Глава XIII

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ПРИ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

В последние 40 лет геофизические методы широко применяются для решения различных гидрогеологических задач: определения глубины залегания и мощности водоносного горизонта, выделения в разрезе пройденных мощностей пород, насыщенных пресной и ми­нерализованной водой, установления закарстованных зон, древних погребенных долин, рельефа коренных пород и водоупоров, текто­нических нарушений и трещиноватых зон, оконтуривания зон мно­голетней мерзлоты и таликов, определения скорости и направления движения подземного потока, места утечек воды в скважине из од­ного горизонта в другой, путей фильтрации подземных вод из ка­налов и водохранилищ, физических и химических свойств подземных вод, водоносных зон в скважинах, пройденных с глинистой промыв­кой, физических свойств горных пород.

В настоящее время из всех существующих геофизических мето­дов наиболее широко применяются в гидрогеологии электрические, геотермические, ядерные и, реже, сейсмические, гравиметрические и магнитометрические.

При прохождении постоянного тока через различные породы по­следние оказывают неодинаковое сопротивление. Величина сопро­тивления зависит от литологического состава пород, их пористости и степени минерализации находящихся в них водных растворов. Различают два вида электрического сопротивления — удельное и кажущееся.

Удельное электрическое сопротивление определяется сопротив­лением, которое оказывает 1 м³ вещества (породы) в виде к\ба, при прохождении электрического тока перпендикулярно двумя про­тивоположным его граням.

При изменении сопротивления пород за счет влияния окружаю­щих слоев различного сопротивления измеряемое сопротивление отличается от удельного и называется кажущимся.

В. А. Ряполова приводит следующие величины \ дельных сопро­тивлений для различных пород:

312

Порода Удельное

сопротивлени ом-м

Лески с пресной водой 50—60

Пески с минерализованной водой . . 15—20

Глина сухая 15—20

Песчаник с пресной водой 100—120

Песчаник с минерализованной водой 80—100 Известняки, содержащие пресною

воду 50—300

Мел, содержащий воду 25—500

Сопротивление пород измеряют специальной установкой. Между двумя точками заземления (рис. 143)—«разносом электродов» — пропускается постоянный электрический ток. Величина тока будет зависеть от , разноса электро­дов. Если между двумя питаю­щими электродами Л и £ по­местить два приемных электро­да В и Г, между ними возника­ет разность потенциалов До, которая находится с силой то­ка в следующей зависимости:

(XIII-1)

Рис. 143. Схемы установки двух элект­родов

где К — коэффициент, завися­щий от взаимного расположе­ния электродов А, Б, В и Г; Аи — разность потенциалов; р —электрическое сопротивление по­род в пределах электродов; /₀ —сила тока между точками А и Б.

Электрическое поле может создаваться не только искусственным током, но и в результате движения подземных вод через пористые или трещиноватые породы. Это поле в отличие от искусственного носит название естественного. Разность потенциалов этого поля меньше искусственного и обычно выражается в милливольтах.

Измерив кажущееся удельное сопротивление по серии профилей на той или иной площади при постоянном положении питающих электродов, можно определить характер пород на интересующей нас глубине. Если появляется необходимость установить характер по­род на различной глубине и затем составить геолого-гидрогеологи­ческий профиль, электроды А и Б располагают на разных расстоя­ниях.

Помимо геологических разрезов можно составить в дальнейшем карту удельных сопротивлений в изолиниях, на которой будут вы­деляться участки с повышенными и пониженными сопротивлениями. Имея такие карты, можно будет решать вопросы, связанные с зало­жением скважин для получения воды и определять зоны с повышен­ной фильтрацией в случае строительства гидротехнических и водо­заборных сооружений. Такие карты используются в засушливых зо-

313

пах Казахстана и Узбекистана при заложении скважин для водоснабжения.

Подобным же образом можно составить карту глубин залегания поверхности водоупора, необходимую при решении вопроса о зало­жении основания плотины или обоснования глубины эксплуата­ционных скважин.

Очень легко геофизическими методами определяется направле­ние и скорость потока подземных вод. В скважину опускается неко­торое количество любой соли ( поваренная, хлористый аммоний и др.), которое снижает сопротивление и является одним из питаю­щих электродов. Другой электрод относится на принятое расстоя­ние— 100, 200, 300 м. Соль, растворитель, распределяется по на­правлению движения подземного потока. Измеряя вокруг скважины по радиальным профилям изменение потенциала искусственно со­здаваемого поля через определенные промежутки времени, можно с большей точностью определить направление и действительную скорость подземного потока.

Зная сопротивление пород, их механический состав и минера­лизацию воды, легко определить пористость породы, что имеет боль­шое значение для гидрогеологии и инженерной геологии, так как позволяет в дальнейшем промоделировать исследуемый участок на аналоговых машинах.

В инженерной геологии методами электроразведки определяют агрессивность водных растворов почвы по отношению к различным конструкциям. Методами сопротивлений определяются также места повреждения водопровода, тела плотин, дамб и т. д.

В настоящее время все чаще и чаще начинают применять ротор­ное бурение для целей гидрогеологии. При роторном бурении водо­носные горизонты могут быть установлены каротажем в скважине. Электрическим каротажем измеряется кажущееся сопротивление пород р по всему разрезу и потенциал естественного поля вдоль ствола скважины (ПС).

По полученным данным строятся каротажные диаграммы (рис. 144). На диаграмме В. А. Ряполовой хорошо выделяются четыре водоносных горизонта. Опробование после установки фильтров на основании каротажа полностью подтвердило данные геофизики.

Измеряя электрическое сопротивление раствора в скважине (ме­тод резистивиметра), определяют зону притока или поглощения во­ды в скважине. Если вода в скважине пресная, ее промывают соленой, а затем последовательно определяют сопротивление остав­шегося раствора соленой воды на различной глубине. Откачкой снижают уровень воды в скважине и вызывают усиленный приток в нее пресной воды, а затем определяют сопротивление промывоч­ного раствора. Дальнейшее сопоставление диаграмм изменения со­противления до и после откачки воды позволяет определить место притока воды в скважину.

При наличии в скважине соленой воды ее промывают пресной и все дальнейшие определения места притока воды в скважине производят так же, как и в первом случае. Место притока воды в

314

скважину можно также установить с помощью электротермометра. Электрический метод и метод гравитации в настоящее время широко применяются при выявлении карста и трещиноватых зон. Описанные геофизические методы исследований применяются только в необсаженных скважинах. В обсаженных скважинах при­менимы радиоактивные методы исследования. Гамма-метод позво­ляет выделять глинистые пласты, расчленять геологическую колон­ку скважины. Гамма-гамма-методом определяется плотность пород.

Рис. 144. Диаграмма р и ПС (по В. А. Ряполовой)

нейтронным — естественная влажность пород (глубина проникно­вения нейтронов в породу зависит от объема воды, находящейся в порах породы).

Как правило, гидрогеологические и инженерно-геологические па­раметры определяются комплексом методов исследований. Это по­вышает достоверность определенных параметров.

Кроме перечисленных приемов исследования скважин, существу­ют методы ядерного, магнитного резонанса, ультразвуковые, индук­ционные, микрозондирования. Последние требуют более сложной аппаратуры и, как правило, применяются в исследовании глубоких скважин.

Интересующихся применением геофизических методов в гидро­геологии и инженерной геологии отсылаем к специальной литера­туре.

ЛИТЕРАТУРА

А л е к и и О. А Основы гидрохимии. М., Гидрометеоиздат, 1970.

Басов Г. Ф. Гидрогеологическая роль лесных полос Каменной Степи. «Агробиология», 1949, № 1.

Богомолов Г. В. Гидрогеология с основами инженерной геологии. М., «Высшая школа», 1966.

Богомолов Г. В., С и л и н - Б е к ч у р и н А. А. Специальная гидрогео­логия. М., Госгеолиздат. 1955.

Богомолов Г. В., Кац Д. М. Методы и результаты гидрологических, климатических, геолого-гидрогеологических и почвенно-ботанических исследований заболоченных территорий зоны умеренного климата. Минск. «Наука и техника», 1972.

Богомолов Г. В., Алтьшуль А. Е. и др. Состояние н задачи в об­ласти искусственного восполнения запасов подземных вод. — В кн.' «Искусствен­ное восполнение запасов подземных вод». Минск, «Наука и техника», 1973.

Б и н д е м а н Н. И., Язвин Л. С. Оценка эксплуатационных запасов под­земных вод. М., «Недра», 1970.

Бочевер Ф. М., Гармонов И. В., Лебедев Л. В., Шеста-ков В. М. Основы гидрологических расчетов. М., «Недра», 1965.

В а л я ш к о М. Г. Основы геохимии природных вод. Цикл — Геохимия под­земных вод. М., 1971.

Васильев С. В. и др. Методы фильтрационных расчетов гидромелиора­тивных систем. М., «Колос», 1970.

Вернадский В. И. О классификации и химическом составе приоодных вод. Изд-во АН СССР, 1935.

Д е р я г и н Б. В., Ч у р а е в Н. В. Новые свойства жидкостей. М., «На­ука», 1970.

Жернов И. Е., Ш е с т а к о в В. М. Моделирование фильтрации подзем­ных вод. М., «Недра», 1971.

Игнатович Н. К. О закономерностях распределения и формирования под­земных вод. «Докл. АН СССР», т. XV, 1944.

Каменский Г. Н. Поиски и разведка подземных вод. М., Госгеолиздаг, 1947.

Каменский Г. Н., Климентов П. П., Овчинников А. М. Гид­рогеология месторождений полезных ископаемых. М., Госгеолиздат, 1953.

Каменский Г. Н., Толстихина М. М., Толе тихи н Н. И. Гид­рогеология СССР. М., Госгеолтехиздат, 1959.

Карцев А. А. Гидрогеология нефтяных и газовых месторождений М, «Недра», 1972.

К а ц Д. М. Гидрогеология. М., «Колос», 1969.

Климентов П. П., С ы р о в а т к о М. В. Гидрогеология месторождений твердых полезных ископаемых. М., «Недра», 1966.

Козлов М. Ф., Шилинская Я. М. Количественная оценка питания грунтовых вод в северной части Припятской впадины. Минск, «Наука и техника» 1972.

316

К у Д е л и н Б. И. Принцип региональной оценки ресурсов подземных вод. М , Изд-во МГУ, 1960.

Кудрявцев В. А. Современные представления о связанной воде в поро­дах. М„ Изд-во АН СССР, 1963.

Кунин В. Н. Линзы пресных вод пустыни. М., Изд-во АН СССР, 1963.

Л а н г е О. К. Подземные воды СССР. М., Изд-во МГУ, 1962.

Ланге О. К. Гидрогеология. М, «Высшая школа», 1969.

Лаптев Ф Ф. Агрессивное действие подземной воды на карбонатные породы. М., ГОНТИ, 1939.

Лебедев А. Ф. Почвенные и грунтовые воды, М., Сельхозиздат, 1930.

Лебедев А. В. Изучение режима и баланса подземных вод по стацио­нарным наблюдениям. — «Тр. ВСЕГИНГЕО», Госгеолиздат, 1951.

Л о м т а д з е В. Д. Инженерная геология. М., «Недра», 1970.

Методи- еские указания по составлению гидрогеологических карт масштабов 1 : 100000—1 : 50000 и 1 : 200000—1 : 100000. М., Госгеолтехиздат, 1960.

Методическое руководство по гидрогеологическим и инженерно-геологическим исследованиям для мелиоративного строительства, в. 1. М., «Недра», 1972.

Миллионщиков М. Д. Обводнение скважин подошвенной водой. — «Инж. сб. ин-та механизации АН СССР», т. 5, 1948, в. 1.

М и р о н е н к о В. А. О применении горизонтальных скважин при дрениро­вании карьеров — «Тр. ВНИМИ». Сб. 47, 1962.

Овчинников А. М. Общая гидрогеология. М., Госгеолиздат, 1955.

овчинникова. М. Минеральные воды. М., Госгеолтехиздат, 1963.

Огильви А. А. Геофизические методы исследований. М., Изд-во МГУ, 1962.

Павловский Н. Н. Теория движения грунтовых вод под гидротехниче­скими сооружениями и ее основные, приложения. Изд-во научно-мелиоративного ин-та, 1922.

Плотник о,в Н, А. Классификация ресурсов подземных вод и методы их подсчета. М., Госгеолтехиздат, 1943.

Плотников Н. А. Оценка запасов подземных вод. М. .Госгеолтехиздат, 1959.

Плотников Н И. Поиски и разведка пресных подземных вод для целей крупного водоснабжения, ч. 1 и 2. М., Изд-во МГУ, 1965—1968.

Попов И. В. Инженерная геология. М., Изд-во МГУ, 1959.

Приклонский В. А. Грунтоведение, ч. 1. М., Госгеолиздат, 1949.

Резников А. А., Муликовская Е. П., Соколов И. Ю. Методы анализа природных вод. М., «Недра», 1970.

Роде А. А Учение о почвенной влаге. М , Гидрометеоиздат, 1965.

Ряполова В А. Применение электрического каротажа при поисках источ­ников водоснабжения на железнодорожном транспорте. М., Трансжелдориздат, 1952.

Сергеев Е. М. Общее грунтоведение. Изд. 2. М., Изд-во МГУ, 1959.

Силин-Бекч>рин А. И. Динамика подземных вод. М., Изд-во МГУ. 1958.

Справочное руководство гидрогеолога. Т. 1 и 2. Под ред. В. М. Максимова М., «Недра», 1967.

Т о л с т и х и н Н. И. Подземные воды мерзлотной зоны литосферы. М., Гос­геолтехиздат, 1941.

Толстихин Н. И. Классификация подземных вод.— В сб.: Гидрогеоло­гия и инженерная геология. — «Тр. Ленинградского горн, ин-та», т. XII, 1972, в. 2.

Троянский С. В., Белицкий А. С, Чекин А. И. Гидрогеология и осушение месторождений полезных ископаемых. М., Углетехиздат, 1956.

Чаповский Е. Г. Лабораторные работы по грунтоведению и механике грунтов. Изд. 3. М., «Недра», 1966.

Чарный И А Основа подземной гидравлики. М., Госгортехиздат, 1956.

Щелкачев В. Н. Упругий режим пластовых водонапорных систем. М., Гостоптехиздат, 1948.

Оглавление

Стр.

Предисловие . ,;.j , 3

Введение 4

Глава I Развитие гидрогеологии и инженерной геологии 7

Глава II. Вода в атмосфере и на поверхности Земли 13

Общий круговорот воды в природе 13

Влажность воздуха 13

Температура воздуха 17

Атмосферные осадки 21

Сток 23

Испарение 29

Инфильтрация 31

Глава III. Вода в земной коре , 34

Состояние воды в земной коре, понятие о подземных водах 34

Теории происхождения и формирования подземных вод 36

Глава IV. Физико-механические и водные свойства пород 44

Температурные зоны в земной коре 44

Пористость и скважность горных пород 51

Механический (гранулометрический) состав горных пород 54

Виды воды в горных породах 57

Водные свойства горных пород 62

Механические свойства горных пород 68

Глава V. Условия залегания водоносных горизонтов и их режим 73

Классификация подземных вод 73

Верховодка 75

Грунтовые воды 77

Артезианские воды 99

Трещинные и карстовые воды 151

Подземные воды в районах многолетней мерзлоты 156

Минеральные воды 162

Источники пресных и минеральных вод 164

Режим подземных вод 168

Влияние леса и болот на режим подземных вод 174

Глава VI. Физические свойства и химический состав подземных вод . . . 177

Физические свойства подземных вод 177

Химический состав подземных вод 178

318

Стр.

Химический анализ воды; отбор проб для анализа 180

Формы выражения химического анализа воды 180

Химическая характеристика и классификации подземных вод 185

Требования, предъявляемые к качеству воды 189

Глава VII. Краткие сведения по динамике подземных вод £ . 195 ^ & тГ

Основные законы движения подземных вод 195

Расходы потока подземных вод и построение кривой депрессии .... 199

Приток воды к водозаборным сооружениям 203

Движение подземных вод в трещиноватых породах 221

Определение водопритока в карьеры 224